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JP3320596B2 - Piezoelectric / electrostrictive film element and method of manufacturing the same - Google Patents

Piezoelectric / electrostrictive film element and method of manufacturing the same

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JP3320596B2
JP3320596B2 JP24930295A JP24930295A JP3320596B2 JP 3320596 B2 JP3320596 B2 JP 3320596B2 JP 24930295 A JP24930295 A JP 24930295A JP 24930295 A JP24930295 A JP 24930295A JP 3320596 B2 JP3320596 B2 JP 3320596B2
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piezoelectric
electrostrictive
film
diaphragm portion
lower electrode
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七瀧  努
浩二 木村
伸夫 高橋
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NGK Insulators Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【技術分野】本発明は、圧電/電歪膜型素子、なかで
も、主にアクチュエータ、フィルタ、ディスプレイ、ト
ランス、マイクロホン、発音体(スピーカ等)、各種振
動子、共振子、発振子、ディスクリミネータ、更にはジ
ャイロやセンサ等に用いられるユニモルフ型やバイモル
フ型等の屈曲変位又は力を発生させる、或いは屈曲変位
や力を検出するタイプの圧電/電歪膜型素子及びその製
造方法に関するものである。なお、ここで称呼される素
子とは、電気エネルギーを機械エネルギーに変換、即
ち、機械的な変位、力又は振動に変換する素子の他、そ
の逆の変換を行なう素子をも意味するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film element, especially an actuator, a filter, a display, a transformer, a microphone, a sound generator (such as a speaker), various oscillators, a resonator, an oscillator, and a discriminator. The present invention relates to a piezoelectric / electrostrictive film type element for generating or detecting a bending displacement or a force such as a unimorph type or a bimorph type used for a gyro or a sensor, and a method for manufacturing the same. is there. The element referred to herein means an element that converts electrical energy into mechanical energy, that is, an element that converts mechanical energy into mechanical displacement, force, or vibration, as well as an element that performs the reverse conversion. .

【0002】[0002]

【背景技術】近年、光学や精密加工等の分野において、
サブミクロンのオーダーで光路長や位置を調整する変位
素子や、微小変位を電気的変化として検知する検出素子
が所望されるようになってきており、これに応えるもの
として、強誘電体等の圧電材料に電界を加えた時に起こ
る逆圧電効果に基づくところの変位の発現、或いはその
逆の現象を利用した素子である、アクチュエータやセン
サに用いられる圧電/電歪素子の開発が進められてい
る。そして、その中で、スピーカ等においては、そのよ
うな圧電/電歪素子構造として、従来から知られている
ユニモルフ型等が好適に採用されている。
BACKGROUND ART In recent years, in fields such as optics and precision processing,
Displacement elements that adjust the optical path length and position on the order of sub-microns, and detection elements that detect minute displacements as electrical changes, have been desired. In response to this, piezoelectric elements such as ferroelectrics have been required. Development of a piezoelectric / electrostrictive element used for an actuator or a sensor, which is an element utilizing the occurrence of displacement based on an inverse piezoelectric effect that occurs when an electric field is applied to a material or the opposite phenomenon, is being pursued. Among them, in a speaker or the like, a conventionally known unimorph type or the like is suitably used as such a piezoelectric / electrostrictive element structure.

【0003】このため、本願出願人にあっても、先に、
特開平3−128681号公報や特開平5−49270
号公報等において、各種の用途に好適に用いられ得る、
セラミックス製の圧電/電歪膜型素子を提案した。この
先に提案の圧電/電歪膜型素子は、少なくとも一つの窓
部(空所)を有すると共に、該窓部を覆蓋するように薄
肉のダイヤフラム部を一体に設けることによって、少な
くとも一つの薄肉の壁部を形成してなるセラミックス基
体を備え、そして該セラミックス基体のダイヤフラム部
の外面上に、下部電極と圧電/電歪層と上部電極との組
み合わせからなる圧電/電歪作動部が、膜形成法によっ
て一体的に積層形成されてなる構造を有するものであっ
て、小型で安価な、高信頼性の電気機械変換素子である
と共に、低い駆動電圧にて大変位が得られ、また応答速
度が速く、且つ発生力も大きいという優れた特徴を有し
ており、アクチュエータ、フィルタ、ディスプレイ、セ
ンサ等の構成部材等として、誠に有用なものであること
が認められている。
[0003] For this reason, even the applicant of the present application, first,
JP-A-3-128681 and JP-A-5-49270
In the gazette, it can be suitably used for various applications,
A piezoelectric / electrostrictive film element made of ceramics was proposed. The previously proposed piezoelectric / electrostrictive film type element has at least one window (vacant space) and at least one thin wall by integrally providing a thin diaphragm so as to cover the window. A ceramic / substrate having a wall is formed, and a piezoelectric / electrostrictive operating portion comprising a combination of a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer and an upper electrode is formed on the outer surface of the diaphragm of the ceramic substrate. It is a small, inexpensive, highly reliable electromechanical transducer with a large displacement at a low driving voltage, and has a high response speed. It has excellent characteristics that it is fast and has a large generating force, and it has been recognized that it is truly useful as a constituent member of actuators, filters, displays, sensors, and the like. That.

【0004】しかしながら、かかる圧電/電歪膜型素子
について、本発明者らが更に検討した結果、そのような
圧電/電歪膜型素子は、焼成済のセラミックス基体にお
けるダイヤフラム部の所定位置に、圧電/電歪作動部を
構成する下部電極、圧電/電歪層及び上部電極が、膜形
成法によって順次層状に積層形成され、そして必要な熱
処理(焼成)が施されて、該圧電/電歪作動部がダイヤ
フラム部上に一体的に設けられた構造とされるものであ
るところから、その圧電/電歪作動部、具体的には圧電
/電歪層の形成時における熱処理(焼成)によって、か
かる圧電/電歪膜型素子の圧電/電歪特性が少なからず
低下することが、明らかとなったのである。
However, as a result of further studies by the present inventors on such a piezoelectric / electrostrictive film element, such a piezoelectric / electrostrictive film element is located at a predetermined position of a diaphragm portion of a fired ceramic substrate. The lower electrode, the piezoelectric / electrostrictive layer, and the upper electrode constituting the piezoelectric / electrostrictive operating portion are sequentially laminated in layers by a film forming method, and are subjected to necessary heat treatment (firing) to obtain the piezoelectric / electrostrictive. Since the operating portion has a structure integrally provided on the diaphragm portion, the piezoelectric / electrostrictive operating portion, specifically, a heat treatment (firing) at the time of forming the piezoelectric / electrostrictive layer, It has been clarified that the piezoelectric / electrostrictive characteristics of such a piezoelectric / electrostrictive film type element are considerably reduced.

【0005】すなわち、そのような圧電/電歪層形成時
の熱処理(焼成)により、該圧電/電歪層(圧電/電歪
作動部)には、それとセラミックス基体のダイヤフラム
部との間の焼成収縮による応力が発生して、それによっ
て、かかる圧電/電歪層の焼結が妨げられ、その焼結を
充分に行なうことが困難であることに加えて、焼成後に
応力が残留するようになって、圧電/電歪膜型素子の本
来の特性が得られないという問題を内在しているのであ
る。
That is, by the heat treatment (firing) at the time of forming the piezoelectric / electrostrictive layer, the piezoelectric / electrostrictive layer (piezoelectric / electrostrictive operating portion) is fired between the piezoelectric / electrostrictive layer and the diaphragm portion of the ceramic substrate. The shrinkage causes stress, which hinders the sintering of such piezoelectric / electrostrictive layers, making it difficult to perform the sintering sufficiently, and the stress remains after firing. Therefore, there is a problem that the original characteristics of the piezoelectric / electrostrictive film type element cannot be obtained.

【0006】尤も、そのような圧電/電歪層の焼結性を
高め、その緻密度を向上せしめて、圧電/電歪膜型素子
における圧電/電歪特性を改善するには、かかる圧電/
電歪層の焼成温度を高めたり、該圧電/電歪層の形成さ
れるダイヤフラム部の厚みを薄くしたりする等の対策が
考えられるが、それらの対策を講じても、圧電/電歪層
の緻密度の向上は未だ充分なものではなく、また焼成後
の残留応力の問題は解消され得ず、そのような残留応力
によって、圧電/電歪特性、特に圧電/電歪作動部の駆
動にて惹起されるダイヤフラム部の変位量が低下した
り、素子の共振周波数が低くなってしまうという問題
を、依然として内在しているのであり、更にダイヤフラ
ム部の厚みを薄くすることは、また、その作製を困難に
するという問題をも、新たに発生するものであった。
However, in order to improve the sinterability of such a piezoelectric / electrostrictive layer and to improve its compactness to improve the piezoelectric / electrostrictive characteristics of the piezoelectric / electrostrictive film type element, the piezoelectric / electrostrictive characteristics are improved.
Measures such as raising the firing temperature of the electrostrictive layer and reducing the thickness of the diaphragm on which the piezoelectric / electrostrictive layer is formed can be considered. However, the problem of residual stress after sintering cannot be solved, and the piezoelectric / electrostrictive characteristics, especially the driving of the piezoelectric / electrostrictive operating part, can be reduced by such residual stress. The problem that the amount of displacement of the diaphragm caused by the reduction of the diaphragm part or the resonance frequency of the element is low is still inherent, and further reducing the thickness of the diaphragm part also requires the production of the element. A new problem also arises that is difficult.

【0007】また、そのような応力の内在する圧電/電
歪膜型素子にあっては、そのセラミックス基体のダイヤ
フラム部と圧電/電歪作動部(下部電極)との間の接合
性にも問題があり、素子の作製時やその使用中におい
て、剥離等の問題が惹起される場合があり、それが素子
の信頼性の低下にもつながっているのである。
[0007] In the piezoelectric / electrostrictive film type element in which such stress is present, there is also a problem in the bonding between the diaphragm portion of the ceramic base and the piezoelectric / electrostrictive operating portion (lower electrode). In some cases, problems such as peeling may occur during the production and use of the device, which may lead to a decrease in the reliability of the device.

【0008】[0008]

【解決課題】ここにおいて、本発明は、かかる事情を背
景にして為されたものであって、その解決課題とすると
ころは、ジルコニア材料からなる前記の如きセラミック
ス基体、換言すればジルコニア基体の薄肉の壁部を構成
するダイヤフラム部の外面上に、圧電/電歪作動部が、
膜形成法によって形成されてなる圧電/電歪膜型素子の
製造において、そのダイヤフラム部が圧電/電歪層の焼
結性に及ぼす影響を改善して、焼結性(緻密度)の高い
圧電/電歪層と為し、またダイヤフラム部と圧電/電歪
作動部との間の接合性をも効果的に高めた、信頼性と変
換効率の高い素子を有利に得ることの出来る製造方法、
及びそれによって得られた圧電/電歪膜型素子を提供す
ることにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a ceramic substrate made of a zirconia material, in other words, a thin zirconia substrate. On the outer surface of the diaphragm that constitutes the wall of
In the manufacture of a piezoelectric / electrostrictive film element formed by a film forming method, the effect of the diaphragm portion on the sinterability of the piezoelectric / electrostrictive layer is improved, and a piezoelectric material having a high sinterability (density) is improved. A manufacturing method capable of advantageously obtaining an element having high reliability and high conversion efficiency, which is formed as an electrostrictive layer and also effectively enhances the bonding between the diaphragm portion and the piezoelectric / electrostrictive operating portion;
And a piezoelectric / electrostrictive film element obtained by the method.

【0009】[0009]

【解決手段】そして、上述の如き課題を解決するため
に、本発明に従う圧電/電歪膜型素子の製造方法の特徴
とするところは、少なくとも一つの空所を有すると共
に、該空所を覆蓋するように、薄肉のダイヤフラム部を
一体に設けてなるジルコニア基体と、該ダイヤフラム部
の外面上に膜形成法によって層状に順次設けた下部電
極、圧電/電歪層及び上部電極より構成される膜状の圧
電/電歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子を製造す
るに際して、少なくとも前記ダイヤフラム部にアルミナ
を1.1〜5.0重量%の割合で含有せしめてなる焼成
済のジルコニア基体を準備し、そして該ジルコニア基体
のダイヤフラム部の外面上に、膜形成法によって前記下
部電極を形成した後、更に、該下部電極上に、マグネシ
ア若しくはそれを与える成分を独立して又は化合物形態
において含有する圧電/電歪材料を用いて、膜形成法に
て前記圧電/電歪層を形成し、焼成を行なうことによ
り、少なくとも、かかる圧電/電歪層下の前記ダイヤフ
ラム部と前記下部電極との界面において、アルミナとマ
グネシアとの化合物を主体とする粒子を析出せしめるこ
とにある。
A method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention is characterized by having at least one void and covering the void. A zirconia substrate integrally provided with a thin diaphragm portion, and a film composed of a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer, and an upper electrode which are sequentially provided in layers on the outer surface of the diaphragm portion by a film forming method. When manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film-type element having a piezoelectric / electrostrictive operating portion having a shape, a fired calcined element containing at least the diaphragm portion containing 1.1 to 5.0% by weight of alumina is used. A zirconia substrate is prepared, and the lower electrode is formed on the outer surface of the diaphragm portion of the zirconia substrate by a film forming method, and then magnesia or the like is provided on the lower electrode. The above-mentioned piezoelectric / electrostrictive layer is formed by a film forming method using a piezoelectric / electrostrictive material containing the components independently or in the form of a compound, and sintering is carried out at least under the piezoelectric / electrostrictive layer. At the interface between the diaphragm and the lower electrode, particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia are deposited.

【0010】なお、かかる本発明に従う圧電/電歪膜型
素子の製造方法において、前記析出せしめられる粒子
は、有利には、スピネル(MgAl2 4 )粒子であ
り、また前記圧電/電歪材料には、圧電/電歪特性を示
す組成の一成分としてマグネシアを含むものが、有利に
用いられることとなる。更に、前記ジルコニア基体のダ
イヤフラム部が外方に凸なる形状とされていることによ
り、本発明の効果は更に高められ得るのである。
In the method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention, the particles to be deposited are preferably spinel (MgAl 2 O 4 ) particles, and the piezoelectric / electrostrictive material For example, a material containing magnesia as one component of a composition exhibiting piezoelectric / electrostrictive characteristics is advantageously used. Furthermore, the effect of the present invention can be further enhanced by the fact that the diaphragm portion of the zirconia base has a shape that protrudes outward.

【0011】このように、圧電/電歪層の焼成時におい
て、ジルコニア基体のダイヤフラム部中に、所定量のア
ルミナを存在せしめる一方、かかる圧電/電歪層を構成
する圧電/電歪材料中に、マグネシア若しくはそれを与
える成分を独立して又は化合物形態において存在せしめ
ることにより、そのようなマグネシア等の成分がダイヤ
フラム部と下部電極との界面にまで移行し、またダイヤ
フラム部中を移行して表面に達したアルミナとの間にお
いて反応して、スピネル等の化合物の粒子として析出す
るようになるのであり、また、そのような焼成中におい
ては、ダイヤフラム部の剛性が低下し、或いはダイヤフ
ラム部が塑性変形し易くなり、以て圧電/電歪層が有利
に緻密化され得ると共に、応力の残留も、効果的に解消
乃至は軽減され得ることとなるのであり、以て信頼性や
変位効率の高い圧電/電歪膜型素子が得られるのであ
る。しかも、そのような素子にあっては、圧電/電歪層
の焼成後においても、ダイヤフラム部の剛性が低下する
ようなことがないために、共振周波数が低下することが
ないという特徴も有しているのである。
As described above, when the piezoelectric / electrostrictive layer is fired, a predetermined amount of alumina is allowed to exist in the diaphragm portion of the zirconia base while the piezoelectric / electrostrictive material constituting the piezoelectric / electrostrictive layer is included in the piezoelectric / electrostrictive material. , Magnesia or a component giving it, independently or in the form of a compound, such a component as magnesia migrates to the interface between the diaphragm portion and the lower electrode, and migrates through the diaphragm portion to the surface. Reacts with the alumina that has reached the temperature, and precipitates as particles of a compound such as spinel.During such sintering, the rigidity of the diaphragm decreases, or the diaphragm becomes plastic. The piezoelectric / electrostrictive layer can be advantageously densified, and the residual stress can be effectively eliminated or reduced. It is than a, it is the high piezoelectric / electrostrictive film type device reliability and displacement efficiency is obtained Te following. In addition, such a device has a feature that the resonance frequency does not decrease because the rigidity of the diaphragm does not decrease even after the piezoelectric / electrostrictive layer is fired. -ing

【0012】また、本発明は、上述の如き手法に従って
好適に製造され得る圧電/電歪膜型素子をも、その要旨
とするものであって、そのような圧電/電歪膜型素子の
特徴とするところは、少なくとも一つの空所を有すると
共に、該空所を覆蓋するように、薄肉のダイヤフラム部
を一体に設けてなるジルコニア基体と、該ダイヤフラム
部の外面上に膜形成法によって層状に順次設けた下部電
極、圧電/電歪層及び上部電極より構成される膜状の圧
電/電歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子におい
て、少なくとも、前記圧電/電歪層下の前記ダイヤフラ
ム部と前記下部電極との界面に、アルミナとマグネシア
との化合物を主体とする粒子を、5%以上の占有面積率
において存在せしめたことにある。
The present invention also provides a piezoelectric / electrostrictive film-type element which can be suitably manufactured according to the above-described method, and features of such a piezoelectric / electrostrictive film-type element. A zirconia base body having at least one cavity and a thin-walled diaphragm portion integrally provided so as to cover the cavity, and a layered film formed on the outer surface of the diaphragm portion by a film forming method. In a piezoelectric / electrostrictive film type device including a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of a sequentially provided lower electrode, piezoelectric / electrostrictive layer, and upper electrode, at least a portion under the piezoelectric / electrostrictive layer Particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia are present at an interface between the diaphragm and the lower electrode at an occupied area ratio of 5% or more.

【0013】なお、かくの如き本発明に従う圧電/電歪
膜型素子において、前記アルミナとマグネシアとの化合
物は、有利には、スピネル(MgAl2 4 )であっ
て、そのようなスピネル等の粒子がダイヤフラム部と下
部電極との間に介在することによって、該粒子のアンカ
ー効果にて、それらの間の密着性が効果的に向上せしめ
られることとなるのである。
In the piezoelectric / electrostrictive film type device according to the present invention, the compound of alumina and magnesia is preferably spinel (MgAl 2 O 4 ), such as spinel. Since the particles are interposed between the diaphragm portion and the lower electrode, the adhesion between the particles is effectively improved by the anchor effect of the particles.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】上述のように、本発明は、ジルコ
ニア基体に設けられた空所を覆蓋するように一体的に形
成されたダイヤフラム部位の外面上に、膜形成法によっ
て設けられた膜状の圧電/電歪作動部を有する構造の圧
電/電歪膜型素子において、少なくとも、圧電/電歪層
直下に位置するダイヤフラム部と下部電極との界面に、
アルミナとマグネシアとの化合物を主体とする粒子を析
出、存在せしめようとするものであるが、そのような本
発明の対象とする圧電/電歪膜型素子の基本的な構造の
一例が、図1に示されている。なお、ここに例示の具体
例では、窓部は一つとされている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As described above, the present invention relates to a film formed on a zirconia substrate by a film forming method on an outer surface of a diaphragm portion integrally formed so as to cover a space formed in the zirconia substrate. In a piezoelectric / electrostrictive film type element having a structure having a piezoelectric / electrostrictive operating portion, at least at an interface between a diaphragm portion located immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer and a lower electrode,
It is intended to precipitate and make particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia. An example of the basic structure of such a piezoelectric / electrostrictive film type element to which the present invention is applied is shown in FIG. It is shown in FIG. In addition, in the specific example illustrated here, the number of windows is one.

【0015】すなわち、かかる図1において、ジルコニ
ア基体2は、所定大きさの矩形の窓部6を空所として有
する、支持体としての所定厚さのベースプレート4と、
その一方の面に重ね合わされて、窓部6を覆蓋する薄肉
のダイヤフラム板8とから、一体的に構成されており、
かかるダイヤフラム板8の前記ベースプレート4におけ
る窓部6に位置する部分が、ダイヤフラム部位10とさ
れているのである。そして、この板状のジルコニア基体
2のダイヤフラム部位10の外面上には、それぞれ、膜
状の下部電極12、圧電/電歪層14及び上部電極16
が、通常の膜形成手法によって、順次、積層形成され
て、膜状の圧電/電歪作動部18として、一体的に形成
されている。なお、下部電極12及び上部電極16に
は、よく知られているように、図示しないそれぞれのリ
ード部を通じて、所定の電圧が印加せしめられるように
なっている。
That is, in FIG. 1, a zirconia base 2 includes a base plate 4 having a rectangular window 6 of a predetermined size as a space and having a predetermined thickness as a support, and
It is formed integrally with a thin diaphragm plate 8 which is superimposed on one surface thereof and covers the window 6,
The portion of the diaphragm plate 8 located at the window 6 in the base plate 4 is a diaphragm portion 10. A film-like lower electrode 12, a piezoelectric / electrostrictive layer 14, and an upper electrode 16 are formed on the outer surface of the diaphragm portion 10 of the plate-like zirconia substrate 2, respectively.
Are sequentially laminated and formed as a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 by a normal film forming method. As is well known, a predetermined voltage is applied to the lower electrode 12 and the upper electrode 16 through respective lead portions (not shown).

【0016】従って、このような構造の圧電/電歪膜型
素子においては、それをアクチュエータとして機能させ
る場合には、その圧電/電歪作動部18を構成する二つ
の電極12、16間に、従来と同様にして通電が行なわ
れ、それによって圧電/電歪層14に電界が作用せしめ
られると、そのような電界に基づくところの電界誘起歪
みが惹起され、この電界誘起歪みの横効果にて、ジルコ
ニア基体2(ダイヤフラム部位10)の板面に垂直な方
向の屈曲変位乃至は力が発現せしめられることとなるの
である。
Therefore, in the piezoelectric / electrostrictive film type element having such a structure, when it functions as an actuator, the piezoelectric / electrostrictive film element is provided between the two electrodes 12 and 16 constituting the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18. When an electric current is applied in the same manner as in the prior art and an electric field is applied to the piezoelectric / electrostrictive layer 14, an electric field-induced distortion based on such an electric field is induced. Thus, a bending displacement or force in a direction perpendicular to the plate surface of the zirconia base 2 (diaphragm portion 10) is developed.

【0017】本発明は、かかる圧電/電歪膜型素子を製
造するに際して、先ず、少なくともダイヤフラム部位1
0に、アルミナを1.1〜5.0重量%の割合で含有せ
しめてなる、焼成済のジルコニア基体2を準備し、次い
で該ジルコニア基体2のダイヤフラム部位10の外面上
に、下部電極12を膜形成した後、更に、該下部電極1
2上に、マグネシア若しくはそれを与える成分を独立し
て又は化合物形態において含有する圧電/電歪材料を用
いて、圧電/電歪層14を膜形成し、その後焼成を行な
うことにより、少なくとも、かかる圧電/電歪層14直
下のジルコニア基体2のダイヤフラム部位10と圧電/
電歪作動部18の下部電極12との界面に、スピネル
(MgAl2 4 )の如きアルミナとマグネシアとの化
合物を主体とする粒子を析出せしめるようにしたもので
あり、これにより、かかる圧電/電歪層14の焼成中に
おけるダイヤフラム部位10の剛性を低下せしめ、また
ダイヤフラム部位10が塑性変形し易くして、圧電/電
歪層14を効果的に緻密化せしめると共に、該圧電/電
歪層14の焼成収縮に基づくところの応力の残留も、効
果的に回避され得るようにしたものである。
According to the present invention, when manufacturing such a piezoelectric / electrostrictive film type device, first, at least the diaphragm portion 1 is formed.
0, a fired zirconia substrate 2 containing alumina in a ratio of 1.1 to 5.0% by weight is prepared. Then, the lower electrode 12 is placed on the outer surface of the diaphragm portion 10 of the zirconia substrate 2. After forming the film, the lower electrode 1
By using a piezoelectric / electrostrictive material containing magnesia or a component giving it independently or in the form of a compound on the piezoelectric / electrostrictive layer 14, a film is formed on the piezoelectric / electrostrictive layer 14 and then sintering is performed. The diaphragm portion 10 of the zirconia substrate 2 immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer 14 and the piezoelectric / electrostrictive layer 14
Particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia, such as spinel (MgAl 2 O 4 ), are deposited at the interface between the electrostriction operating portion 18 and the lower electrode 12. The stiffness of the diaphragm portion 10 during firing of the electrostrictive layer 14 is reduced, and the diaphragm portion 10 is easily plastically deformed, whereby the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is effectively densified, and the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is effectively densified. Residual stress due to firing shrinkage of No. 14 can also be effectively avoided.

【0018】なお、このような本発明の目的とする圧電
/電歪膜型素子において、その圧電/電歪作動部18が
形成されるジルコニア基体2を与える材料としては、公
知の各種の安定化ジルコニア材料や部分安定化ジルコニ
ア材料が適宜に選択して用いられ得るが、中でも、特に
本発明者らが特開平5−270912号公報において明
らかにした如き、イットリア等の化合物を添加せしめ
て、結晶相が主として正方晶、若しくは主として立方
晶、正方晶、単斜晶のうちの少なくとも2種以上の結晶
相からなる混晶とすることで、部分安定化されたジルコ
ニアを主成分とする材料が好ましく使用される。また、
そのようなジルコニア基体2の結晶粒径は、好ましくは
1μm以下とされる。そのような材料から形成されるジ
ルコニア基体2は、薄い板厚においても、大きな機械的
強度や高靱性を示し、また圧電/電歪材料との化学的な
反応も少ない等の特徴を発揮するからである。
In the piezoelectric / electrostrictive film type element which is the object of the present invention, as a material for providing the zirconia substrate 2 on which the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is formed, various known stabilizing materials can be used. A zirconia material or a partially stabilized zirconia material can be appropriately selected and used. Among them, particularly, as disclosed by the present inventors in JP-A-5-270912, a compound such as yttria is added to form a crystal. The phase is mainly tetragonal, or mainly cubic, tetragonal, a mixed crystal consisting of at least two or more crystal phases of monoclinic, a material mainly composed of partially stabilized zirconia is preferable. used. Also,
The crystal grain size of such a zirconia substrate 2 is preferably 1 μm or less. The zirconia substrate 2 formed from such a material exhibits features such as high mechanical strength and high toughness even at a small thickness, and little chemical reaction with the piezoelectric / electrostrictive material. It is.

【0019】そして、本発明に従う圧電/電歪膜型素子
の製造方法においては、先ず、かかるジルコニア材料か
らなるジルコニア基体2の少なくともダイヤフラム部位
10に、1.1〜5.0重量%の割合のアルミナを含有
せしめてなるものが、準備される。このようなアルミナ
の含有は、ダイヤフラム部位10に加えて、ジルコニア
基体2の他の部位、例えばベースプレート4部位に対し
ても有効である。尤も、このアルミナの含有量が多くな
り過ぎると、ダイヤフラム部位10にクラックや欠陥等
の問題を惹起するところから、5.0重量%以下、好ま
しくは2.5重量%以下とすることが望ましいが、その
含有量が余りにも少なくなり過ぎると、本発明の効果が
充分に達成され得なくなるところから、アルミナは、少
なくとも1.1重量%以上の割合において含有せしめる
必要がある。
In the method of manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention, first, at least the diaphragm portion 10 of the zirconia substrate 2 made of such a zirconia material has a ratio of 1.1 to 5.0% by weight. A material containing alumina is prepared. Such inclusion of alumina is effective not only for the diaphragm portion 10 but also for other portions of the zirconia substrate 2, for example, the base plate 4 portion. However, if the content of alumina becomes too large, problems such as cracks and defects may occur in the diaphragm portion 10, so that the content is desirably 5.0% by weight or less, preferably 2.5% by weight or less. If the content is too small, the effect of the present invention cannot be sufficiently achieved, so that alumina must be contained in a proportion of at least 1.1% by weight or more.

【0020】ところで、そのような少なくともダイヤフ
ラム部位10に所定量のアルミナを含有せしめてなるジ
ルコニア基体2は、それを与えるグリーン体の少なくと
もダイヤフラム部(10)形成部位に、かかる所定量の
アルミナを含有せしめたものを、公知の手法に従って作
製し、そしてそれを焼成することにより、得られるもの
であるが、特に、金型や超音波加工等の機械加工手法を
採用して、窓部6となる空孔部を設けた、ベースプレー
ト4を与えるジルコニアグリーンシートに、ダイヤフラ
ム板8(ダイヤフラム部位10)を与える、所定量のア
ルミナを含有せしめてなる薄いジルコニアグリーンシー
トを積層、熱圧着した後、焼成、一体化することによっ
て作製することが、高い信頼性の点から好ましい。な
お、そのようなジルコニア基体2の圧電/電歪作動部1
8が形成されるダイヤフラム部位10における厚さは、
素子の高速応答性と大きな変位を得るために、一般に5
0μm以下、好ましくは1μm以上、30μm以下、よ
り好ましくは3〜15μm程度とすることが望ましい。
Meanwhile, the zirconia substrate 2 having at least the diaphragm portion 10 containing a predetermined amount of alumina contains the predetermined amount of alumina at least in the portion where the diaphragm portion (10) of the green body for providing the zirconia substrate 10 is formed. The window portion 6 is obtained by producing a simulated product according to a known method and baking it, and in particular, employing a machining method such as a mold or ultrasonic processing. A thin zirconia green sheet provided with a predetermined amount of alumina and provided with a diaphragm plate 8 (diaphragm portion 10) is laminated on a zirconia green sheet provided with a hole and provided with a base plate 4 and thermocompressed. It is preferable to manufacture by integrating them from the viewpoint of high reliability. The piezoelectric / electrostrictive operating section 1 of such a zirconia base 2
The thickness at the diaphragm portion 10 where the 8 is formed is:
In order to obtain high-speed response and large displacement of the element, generally 5
It is desirable that the thickness be 0 μm or less, preferably 1 μm or more and 30 μm or less, and more preferably about 3 to 15 μm.

【0021】また、かかるベースプレート4やダイヤフ
ラム板8を与える、所定のジルコニア材料からなる各ジ
ルコニアグリーンシートは、それぞれ、複数枚のシート
成分の重ね合わせによって形成することも可能である。
更に、ジルコニア基体2におけるダイヤフラム部位10
の形状にあっても、図示の如き平坦な形状の他、窓部6
とは反対側となる、外方に凸なる形状や、窓部内6に落
ち込んだ状態の、内方に凹なる形状とすることも可能で
あるが、本発明の効果は、かかるダイヤフラム部位10
が外方に凸なる形状(図1において、上方に凸なる形
状)であるジルコニア基体2を用いることにより、更に
有効に達成され得ることとなる。なお、ここでは、ジル
コニア基体2の窓部6の形状、換言すればダイヤフラム
部位10の形状は、矩形(四角形)形状とされている
が、これに限定されるものではなく、圧電/電歪膜型素
子の用途に応じて、例えば、円形、多角形、楕円形等、
又はこれらを組合わせた形状等、任意の形状、更には任
意の個数と配置が適宜に選択されることとなる。
Each of the zirconia green sheets made of a predetermined zirconia material to provide the base plate 4 and the diaphragm plate 8 can be formed by laminating a plurality of sheet components.
Further, the diaphragm portion 10 in the zirconia substrate 2
In addition to the flat shape shown in FIG.
It is also possible to make the shape opposite to the outside, that is, a shape that is outwardly convex, or a shape that is recessed inward, in a state of being dropped into the window portion 6.
Can be more effectively achieved by using a zirconia substrate 2 having a shape that is convex outward (in FIG. 1, a shape that is convex upward). Here, the shape of the window 6 of the zirconia base 2, in other words, the shape of the diaphragm portion 10 is rectangular (square), but is not limited to this, and is not limited to this. Depending on the application of the mold element, for example, circular, polygonal, elliptical, etc.
Alternatively, an arbitrary shape, such as a shape obtained by combining these, and an arbitrary number and arrangement are appropriately selected.

【0022】そして、このようにして準備された焼成済
のジルコニア基体2を用い、そのダイヤフラム部位10
上に、目的とする圧電/電歪作動部18を形成すべく、
かかるダイヤフラム部位10の外面上には、先ず、下部
電極12が、従来と同様にして、所定の電極材料を用い
て、公知の各種の膜形成手法に従って形成されることと
なる。具体的には、下部電極12を与える電極材料とし
ては、高温酸化雰囲気に耐えられる導体であれば、特に
規制されるものではなく、例えば金属単体であっても、
合金であってもよく、また酸化ビスマス、酸化亜鉛、酸
化チタン等の絶縁性セラミックスと金属単体、若しくは
その合金との混合物であっても、更には導電性セラミッ
クスであっても、何等差し支えない。尤も、より好まし
くは、白金、パラジウム、ロジウム等の高融点貴金属
類、或いは銀−パラジウム、銀−白金、白金−パラジウ
ム等の合金を主成分とする電極材料、或いは白金とジル
コニア基体構成材料及び/又は圧電/電歪材料成分との
サーメット材料等が好適に用いられる。その中でも、更
に好ましくは、白金のみ、若しくは白金系の合金を主成
分とする材料が望ましい。なお、電極材料中に添加せし
められるジルコニア基体構成材料の割合は、5〜30体
積%程度が好ましく、また圧電/電歪材料或いはその構
成成分の割合は、5〜20体積%程度であることが好ま
しい。
Then, the fired zirconia base 2 prepared as described above is used, and its diaphragm portion 10
In order to form the target piezoelectric / electrostrictive operation section 18 on the upper side,
First, on the outer surface of the diaphragm portion 10, the lower electrode 12 is formed by using a predetermined electrode material in accordance with various known film forming techniques in the same manner as in the related art. Specifically, the electrode material that provides the lower electrode 12 is not particularly limited as long as it is a conductor that can withstand a high-temperature oxidizing atmosphere.
It may be an alloy, a mixture of an insulating ceramic such as bismuth oxide, zinc oxide or titanium oxide and a simple metal or an alloy thereof, or a conductive ceramic. However, more preferably, an electrode material mainly composed of a high melting point noble metal such as platinum, palladium, and rhodium, or an alloy such as silver-palladium, silver-platinum, and platinum-palladium, or platinum and a zirconia base material and / or Alternatively, a cermet material with a piezoelectric / electrostrictive material component is preferably used. Among them, more preferably, a material containing only platinum or a platinum-based alloy as a main component is preferable. The ratio of the zirconia base constituent material added to the electrode material is preferably about 5 to 30% by volume, and the ratio of the piezoelectric / electrostrictive material or its constituents is about 5 to 20% by volume. preferable.

【0023】また、下部電極12は、かかる導体材料を
用いて、スクリーン印刷、スプレー、コーティング、デ
ィッピング、塗布等による厚膜形成手法、若しくはスパ
ッタリング、イオンビーム、真空蒸着、イオンプレーテ
ィング、CVD、メッキ等の薄膜形成手法による膜形成
手法に従って形成されることとなるが、中でも、前者の
厚膜形成手法が好ましく採用され、そしてそのような厚
膜形成手法によって形成された下部電極12に対して
は、電極自体の焼結、更にはダイヤフラム部位10に対
する一体的な結合のために、一般に、従来と同様な熱処
理(焼成)が施されることとなる。なお、この下部電極
12の厚さとしては、一般に、20μm以下、好ましく
は5μm以下とされる。
The lower electrode 12 is formed by using such a conductive material to form a thick film by screen printing, spraying, coating, dipping, coating, or the like, or by sputtering, ion beam, vacuum deposition, ion plating, CVD, plating, or the like. In particular, the former thick film forming method is preferably adopted, and the lower electrode 12 formed by such a thick film forming method is preferably used. In general, the same heat treatment (firing) as in the prior art is performed for sintering of the electrode itself and further for integral bonding to the diaphragm portion 10. In addition, the thickness of the lower electrode 12 is generally 20 μm or less, preferably 5 μm or less.

【0024】次いで、このようにして形成された下部電
極12上には、更に、圧電/電歪層14が、所定の圧電
/電歪材料を用いて、公知の各種の膜形成手法に従って
形成されることとなるが、その際、前記した厚膜形成手
法、具体的には、スクリーン印刷、スプレー、コーティ
ング、ディッピング、塗布等による膜形成手法が、好適
に採用される。この厚膜形成手法を用いれば、平均粒子
径が0.01μm〜7μm程度の、好ましくは0.05
μm〜5μm程度の圧電/電歪セラミックス粒子を主成
分とするペーストやスラリーを用いて、ジルコニア基体
2のダイヤフラム部位10の外面上に、圧電/電歪層1
4を膜形成することが出来、良好な素子特性が得られる
からである。そして、この厚膜形成法の中でも、微細な
パターニングが安価に形成出来るという点で、スクリー
ン印刷法が、特に好ましく用いられる。なお、この形成
される圧電/電歪層14の厚さとしては、低作動電圧で
大きな変位等を得るために、好ましくは50μm以下、
更に好ましくは3μm以上、40μm以下とされること
が望ましい。
Next, on the lower electrode 12 thus formed, a piezoelectric / electrostrictive layer 14 is further formed using a predetermined piezoelectric / electrostrictive material in accordance with various known film forming techniques. In this case, the above-described thick film forming method, specifically, the film forming method by screen printing, spraying, coating, dipping, coating, or the like is suitably adopted. If this thick film forming technique is used, the average particle diameter is about 0.01 μm to about 7 μm, preferably 0.05 μm.
The piezoelectric / electrostrictive layer 1 is formed on the outer surface of the diaphragm portion 10 of the zirconia substrate 2 by using a paste or a slurry mainly containing piezoelectric / electrostrictive ceramic particles of about 5 μm to 5 μm.
4 can be formed into a film, and good device characteristics can be obtained. Among these thick film forming methods, a screen printing method is particularly preferably used in that fine patterning can be formed at low cost. The thickness of the formed piezoelectric / electrostrictive layer 14 is preferably 50 μm or less in order to obtain a large displacement or the like at a low operating voltage.
More preferably, it is more preferably 3 μm or more and 40 μm or less.

【0025】そして、本発明にあっては、そのような圧
電/電歪層14を形成するための圧電/電歪材料とし
て、マグネシア若しくはそれを与える成分を独立して又
は化合物形態において含有するものが、用いられるので
ある。なお、ここで、マグネシアを与える成分とは、マ
グネシウム単体の如き、後の焼成工程等においてマグネ
シアとなる成分を意味している。そのようなマグネシア
若しくはそれを与える成分を含有する圧電/電歪材料と
しては、具体的には、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT
系)を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛(PNN
系)を主成分とする材料、マンガンニオブ酸鉛を主成分
とする材料、アンチモンスズ酸鉛を主成分とする材料、
亜鉛ニオブ酸鉛を主成分とする材料、チタン酸鉛を主成
分とする材料、ニッケルタンタル酸鉛を主成分とする材
料、更には、それらの複合材料等に対して、マグネシア
やマグネシウム等を添加してなる、換言すれば圧電/電
歪組成の成分とは独立して添加、含有せしめてなる材料
を挙げることが出来るが、本発明にあっては、有利に
は、圧電/電歪特性を示す圧電/電歪組成において、マ
グネシアを化合物形態に含むものが用いられ、例えば、
マグネシウムニオブ酸鉛(PMN系)を主成分とする材
料、マグネシウムタンタル酸鉛を主成分とする材料、更
には、このような材料と前記したPZT系等の材料との
複合材料等が好ましく用いられる。
In the present invention, as the piezoelectric / electrostrictive material for forming such a piezoelectric / electrostrictive layer 14, one containing magnesia or a component giving it independently or in the form of a compound. Is used. Here, the component that gives magnesia means a component that becomes magnesia in a later firing step or the like, such as magnesium alone. Specific examples of such a magnesia or a piezoelectric / electrostrictive material containing the component providing the magnesia include lead zirconate titanate (PZT).
Material), lead nickel niobate (PNN)
Material), a material mainly containing lead manganese niobate, a material mainly containing lead antimony stannate,
Magnesia, magnesium, etc. are added to a material mainly composed of lead zinc niobate, a material mainly composed of lead titanate, a material mainly composed of lead nickel tantalate, and a composite material thereof. In other words, there can be mentioned materials added and contained independently of the components of the piezoelectric / electrostrictive composition. In the present invention, the piezoelectric / electrostrictive characteristics are advantageously reduced. In the piezoelectric / electrostrictive composition shown, one containing magnesia in a compound form is used.
A material containing lead magnesium niobate (PMN) as a main component, a material containing lead magnesium tantalate as a main component, and a composite material of such a material and the above-described PZT-based material are preferably used. .

【0026】また、それらの圧電/電歪材料の中でも、
マグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛と
からなる成分を主成分とする材料、ニッケルニオブ酸鉛
とマグネシウムニオブ酸鉛とジルコン酸鉛とチタン酸鉛
とからなる成分を主成分とする材料、マグネシウムニオ
ブ酸鉛とニッケルタンタル酸鉛とジルコン酸鉛とチタン
酸鉛とからなる成分を主成分をする材料、若しくはマグ
ネシウムタンタル酸鉛とマグネシウムニオブ酸鉛とジル
コン酸鉛とチタン酸鉛とからなる成分を主成分とする材
料が有利に用いられ、更に、そのような材料に、ランタ
ン、バリウム、ニオブ、マグネシウム、亜鉛、セリウ
ム、カドミウム、クロム、コバルト、アンチモン、鉄、
イットリウム、タンタル、タングステン、ニッケル、マ
ンガン、リチウム、ストロンチウム、ビスマス等の酸化
物や、それらの他の化合物を添加物として含有せしめた
材料も、好適に使用される。
Further, among these piezoelectric / electrostrictive materials,
Material mainly composed of lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate, and material mainly composed of lead nickel niobate, lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate A material mainly composed of components of lead magnesium niobate, lead nickel tantalate, lead zirconate and lead titanate, or composed of lead magnesium tantalate, lead magnesium niobate, lead zirconate and lead titanate Materials based on components are advantageously used, and further, such materials include lanthanum, barium, niobium, magnesium, zinc, cerium, cadmium, chromium, cobalt, antimony, iron,
Oxides such as yttrium, tantalum, tungsten, nickel, manganese, lithium, strontium, and bismuth, and materials containing other compounds as additives are also preferably used.

【0027】なお、かかる多成分系圧電/電歪材料の場
合に、成分組成によって、圧電/電歪特性が変化するこ
ととなるが、本発明で好適に採用されるマグネシウムニ
オブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛の3成分系材料
や、マグネシウムニオブ酸鉛−ニッケルタンタル酸鉛−
ジルコン酸鉛−チタン酸鉛、並びにマグネシウムタンタ
ル酸鉛−マグネシウムニオブ酸鉛−ジルコン酸鉛−チタ
ン酸鉛の4成分系材料では、擬立方晶−正方晶−菱面体
晶の相境界付近の組成が好ましく、特にマグネシウムニ
オブ酸鉛:15〜50モル%、ジルコン酸鉛:10〜4
5モル%、チタン酸鉛:30〜45モル%の組成や、マ
グネシウムニオブ酸鉛:15〜50モル%、ニッケルタ
ンタル酸鉛:10〜40モル%、ジルコン酸鉛:10〜
45モル%、チタン酸鉛:30〜45モル%の組成、更
にはマグネシウムニオブ酸鉛:15〜50モル%、マグ
ネシウムタンタル酸鉛:10〜40モル%、ジルコン酸
鉛:10〜45モル%、チタン酸鉛:30〜45モル%
の組成が、高い圧電定数と電気機械結合係数を有するこ
とから、有利に採用される。
In the case of such a multi-component piezoelectric / electrostrictive material, the piezoelectric / electrostrictive characteristics change depending on the component composition. However, lead magnesium niobate-zirconate preferably employed in the present invention. Ternary material of lead-lead titanate, lead magnesium niobate-lead nickel tantalate-
In the quaternary material of lead zirconate-lead titanate and lead magnesium tantalate-lead magnesium niobate-lead zirconate-lead titanate, the composition near the phase boundary of pseudo-cubic-tetragonal-rhombohedral Preferred, especially lead magnesium niobate: 15 to 50 mol%, lead zirconate: 10 to 4
5 mol%, lead titanate: 30 to 45 mol%, lead magnesium niobate: 15 to 50 mol%, lead nickel tantalate: 10 to 40 mol%, lead zirconate: 10 to 10 mol%
45 mol%, lead titanate: 30 to 45 mol%, furthermore, lead magnesium niobate: 15 to 50 mol%, lead magnesium tantalate: 10 to 40 mol%, lead zirconate: 10 to 45 mol%, Lead titanate: 30 to 45 mol%
Is advantageously employed because of its high piezoelectric constant and electromechanical coupling coefficient.

【0028】また、そのような圧電/電歪材料中のマグ
ネシア若しくはそれを与える成分の含有量としては、化
合物形態において含有され、圧電/電歪組成の一成分を
構成している場合にあっては、そのような圧電/電歪組
成において、そのまま用いられ、また独立した形態にお
いて含有せしめられている場合にあっては、形成される
圧電/電歪層14の圧電/電歪特性に悪影響をもたらさ
ない程度の割合において、ダイヤフラム部位10に含有
せしめられるアルミナ量(1.1〜5.0重量%)に応
じて、それと反応して化合物を生じ得るに充分な割合に
おいて、適宜に決定されることとなる。
The content of magnesia in the piezoelectric / electrostrictive material or a component providing the same is contained in a compound form and constitutes one component of the piezoelectric / electrostrictive composition. Is used in such a piezoelectric / electrostrictive composition as it is, and when contained in an independent form, adversely affects the piezoelectric / electrostrictive characteristics of the formed piezoelectric / electrostrictive layer 14. Depending on the amount of alumina (1.1 to 5.0% by weight) contained in the diaphragm portion 10 at a ratio that does not bring about, it is appropriately determined at a ratio sufficient to be able to react with it to form a compound. It will be.

【0029】そして、上述の如くして下部電極12上に
形成された圧電/電歪層14には、所定の熱処理(焼
成)操作が施されて、一体的な層構造とされると共に、
ダイヤフラム部位10上に一体的に結合せしめられる。
なお、この際の熱処理(焼成)温度としては、一般に、
500℃〜1400℃程度の温度が採用され、好ましく
は1000℃〜1400℃の範囲の温度が、有利に選択
される。また、そのような膜状の圧電/電歪層14の熱
処理(焼成)において、高温時に圧電/電歪層の組成が
不安定とならないように、そのような圧電/電歪材料の
蒸発源と共に、雰囲気制御を行ないながら、熱処理(焼
成)することが好ましい他、圧電/電歪層14上に適当
な覆蓋部材を載置して、該圧電/電歪層14の表面が焼
成雰囲気に直接に露呈されないようにして、焼成する手
法を採用することも推奨される。なお、その場合、覆蓋
部材としては、ジルコニア基体2と同様な材料系のもの
が用いられることとなる。
The piezoelectric / electrostrictive layer 14 formed on the lower electrode 12 as described above is subjected to a predetermined heat treatment (sintering) operation to form an integrated layer structure.
It is integrally joined on the diaphragm part 10.
The heat treatment (firing) temperature at this time is generally
Temperatures of the order of 500 ° C. to 1400 ° C. are employed, preferably temperatures in the range of 1000 ° C. to 1400 ° C. are advantageously chosen. In the heat treatment (firing) of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 having such a film shape, the evaporation source of such a piezoelectric / electrostrictive material is used together with the evaporation source of the piezoelectric / electrostrictive material so that the composition of the piezoelectric / electrostrictive layer does not become unstable at a high temperature. In addition to heat treatment (firing) while controlling the atmosphere, a suitable cover member is placed on the piezoelectric / electrostrictive layer 14 so that the surface of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is directly exposed to the firing atmosphere. It is also recommended to adopt a firing method so as not to be exposed. In this case, a material similar to the zirconia base 2 is used as the cover member.

【0030】さらに、そのような圧電/電歪層14の熱
処理(焼成)によって、該圧電/電歪層14の焼結、緻
密化が行なわれて、目的とする圧電/電歪特性を具備す
るものとされるのであるが、またかかる熱処理(焼成)
操作によって、圧電/電歪層14内に存在するマグネシ
ア若しくはそれを与える成分は、下部電極12を通っ
て、ジルコニア基体2のダイヤフラム部位10側に移動
せしめられるようになるのであり、そしてそのような移
動に伴って、かかるジルコニア基体2の少なくともダイ
ヤフラム部位10内に存在するアルミナも、下部電極1
2側に移動し、少なくとも、圧電/電歪層14直下に位
置するダイヤフラム部位10と下部電極12との界面に
おいて、それら移動したアルミナ成分とマグネシア成分
とが反応して、所定の化合物の粒子として析出し、かか
る界面に存在するようになるのである。
Further, by such a heat treatment (firing) of the piezoelectric / electrostrictive layer 14, the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is sintered and densified, and has a desired piezoelectric / electrostrictive characteristic. It is also said that such heat treatment (firing)
By operation, the magnesia or its providing component present in the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is allowed to move through the lower electrode 12 to the diaphragm portion 10 side of the zirconia substrate 2, and such Along with the movement, the alumina present in at least the diaphragm portion 10 of the zirconia base 2 also becomes lower electrode 1
2 and at least at the interface between the diaphragm portion 10 and the lower electrode 12 located immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer 14, the moved alumina component and the magnesia component react to form particles of a predetermined compound. It precipitates and becomes present at such an interface.

【0031】そして、このような焼成中におけるアルミ
ナ成分の挙動により、ジルコニア基体2のダイヤフラム
部位10の剛性が低下するようになるのであり、またダ
イヤフラム部位10が塑性変形し易くなり、それ故に、
圧電/電歪層14が焼成収縮しても、それに基づく応力
の発生を効果的に回避し得ることとなり、以て圧電/電
歪層14の緻密化が効果的に実現され得ることとなった
のであり、また応力の残留のないところから、圧電/電
歪層14の本来の特性が得られることによって、信頼性
や変位効率の高い圧電/電歪膜型素子が得られるのであ
る。また、ジルコニア基体2のダイヤフラム部位10内
に存在するアルミナ成分が、その表面に移動して、マグ
ネシア成分との間において化合物を形成することによ
り、かかるダイヤフラム部位10の内部には、アルミナ
成分が殆ど存在しなくなるが、その場合においても、ダ
イヤフラム部位10の剛性は実質的に低下しないため
に、機械的強度や共振周波数が低下することはないので
ある。
The behavior of the alumina component during the calcination causes the rigidity of the diaphragm portion 10 of the zirconia base 2 to decrease, and the diaphragm portion 10 is easily plastically deformed.
Even if the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is shrunk by firing, the generation of stress based on the shrinkage can be effectively avoided, whereby the densification of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 can be effectively realized. In addition, since the original characteristics of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 are obtained from a place where no stress remains, a piezoelectric / electrostrictive film element having high reliability and high displacement efficiency can be obtained. Further, the alumina component existing in the diaphragm portion 10 of the zirconia substrate 2 moves to the surface thereof and forms a compound with the magnesia component, so that the alumina component is hardly contained in the diaphragm portion 10. However, even in this case, the rigidity of the diaphragm portion 10 does not substantially decrease, so that the mechanical strength and the resonance frequency do not decrease.

【0032】なお、前記したように本発明において好適
に用いられる、ダイヤフラム部位10が外方に凸なる形
状のジルコニア基体2にあっては、上記の圧電/電歪層
14の焼成操作によって、その外方に凸なる形状は、一
般に内方に凹なる形状に変化するようになるのである。
As described above, in the zirconia substrate 2 having the diaphragm portion 10 convex outwardly, which is preferably used in the present invention, the sintering operation of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is performed by the above-described operation. An outwardly convex shape generally changes to an inwardly concave shape.

【0033】その後、かかる焼成された圧電/電歪層1
4上には、圧電/電歪作動部18を構成する上部電極1
6が、それを与える電極材料を用いて、下部電極12と
同様にして、公知の各種の膜形成手法に従って形成され
ることとなるが、中でも、レジネートや厚膜ペーストを
用いたスクリーン印刷法、或いはスパッタリング、イオ
ンビーム、真空蒸着、イオンプレーティング、CVD、
メッキ等の薄膜形成手法による膜形成手法に従って、形
成されることが望ましい。なお、この上部電極16の厚
さは、一般に20μm以下、好ましくは5μm以下の厚
さとされることとなる。なお、このような上部電極16
の厚さに圧電/電歪層14の厚さ及び下部電極12の厚
さを加えた圧電/電歪作動部18の全体の厚さとして
は、一般に100μm以下、好ましくは50μm以下が
採用される。
Thereafter, the fired piezoelectric / electrostrictive layer 1
4, the upper electrode 1 constituting the piezoelectric / electrostrictive operation section 18
6 is formed according to various known film forming techniques in the same manner as the lower electrode 12 using the electrode material that provides the same, and among them, a screen printing method using a resinate or a thick film paste, Alternatively, sputtering, ion beam, vacuum deposition, ion plating, CVD,
It is desirable that the film be formed in accordance with a film forming technique such as plating. The thickness of the upper electrode 16 is generally 20 μm or less, preferably 5 μm or less. Note that such an upper electrode 16
In general, the total thickness of the piezoelectric / electrostrictive operating section 18 obtained by adding the thickness of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 and the thickness of the lower electrode 12 to the thickness of the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is 100 μm or less, preferably 50 μm or less. .

【0034】ところで、かくの如くして得られた圧電/
電歪膜型素子にあっては、少なくとも、その圧電/電歪
層14直下のジルコニア基体2のダイヤフラム部位10
と圧電/電歪作動部18の下部電極12との界面に、ス
ピネル(MgAl2 4 )の如き、アルミナとマグネシ
アとの化合物を主体とする粒子が析出、存在していると
共に、そのような界面を与えるダイヤフラム部位10の
表面において、そのような粒子が、少なくとも5%以上
の占有面積率において存在しているところに、大きな特
徴を有している。
By the way, the thus obtained piezoelectric /
In the electrostrictive film element, at least the diaphragm portion 10 of the zirconia substrate 2 immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is provided.
Particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia, such as spinel (MgAl 2 O 4 ), precipitate and exist at the interface between the lower electrode 12 of the piezoelectric / electrostrictive operating section 18 and such an interface. The surface of the diaphragm portion 10 providing the interface has a significant feature in that such particles are present in an occupied area ratio of at least 5% or more.

【0035】図2は、前述の如くして形成された圧電/
電歪膜型素子を用いて、その圧電/電歪作動部18を剥
離、除去せしめ、圧電/電歪層14直下に位置する、露
呈されたダイヤフラム部位10の外表面を電子顕微鏡に
て観察して得られた説明図(表面のスケッチ図)を明ら
かにしているが、そこでは、アルミナとマグネシアとの
反応により形成される化合物を主体とする析出粒子20
が、黒色模様として示されている如く、全体的に微細に
分布して存在しており、そして、この析出粒子20が、
ダイヤフラム部位10と下部電極12との間に介在し
て、それぞれ、それらに対してアンカーとして機能し、
以てそれらの間の密着性乃至は接合強度を効果的に高め
ているのである。
FIG. 2 shows the piezoelectric / electrode formed as described above.
Using the electrostrictive film type element, the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is peeled off and removed, and the outer surface of the exposed diaphragm portion 10 located immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is observed with an electron microscope. (A sketch drawing of the surface) obtained by the reaction, in which the precipitated particles 20 mainly composed of a compound formed by the reaction between alumina and magnesia are shown.
Are finely distributed as a whole as shown as a black pattern, and the precipitated particles 20
Interposed between the diaphragm portion 10 and the lower electrode 12, each functioning as an anchor for them,
Thus, the adhesion or the bonding strength between them is effectively increased.

【0036】ここにおいて、そのようなダイヤフラム部
位10の表面におけるアルミナ・マグネシア化合物粒子
20の占有面積率を測定するに際しては、先ず、ジルコ
ニア基体2から、圧電/電歪作動部18(下部電極1
2、圧電/電歪層14、上部電極16)が、適当な手法
によって、溶解乃至は分解せしめられて、剥離、除去せ
しめられる。例えば、下部電極12が主として金属材料
にて構成されている場合にあっては、市販の濃塩酸と濃
硝酸を体積比で3:1の割合で混合して作製した王水が
用いられ、この王水を80℃の温度に保ちながら、そこ
に圧電/電歪膜型素子を投入して、その圧電/電歪作動
部18を溶解乃至は分解して、除去せしめるのである。
また、この場合、煮沸にて、その除去作業が容易とされ
る。そして、この圧電/電歪作動部18を除去した後の
ジルコニア基体2について、そのダイヤフラム部位10
の、圧電/電歪層14の形成面積に相当する、該圧電/
電歪層14直下の下部電極12が形成されていた表面部
分に存在するアルミナ・マグネシア化合物粒子20を、
電子顕微鏡等にて観察し、そのような化合物粒子20の
占める面積を求めて、以下の式に従って、占有面積率を
算出するのである。 占有面積率(%)=(A/A0 )×100 (但し、A0 は、圧電/電歪層14の形成面積に相当す
る、該圧電/電歪層14直下の下部電極12の形成され
ていたダイヤフラム部位10の表面の面積であり、また
Aは、圧電/電歪作動部18の除去されたダイヤフラム
部位10の表面の面積(圧電/電歪層14直下の下部電
極12の面積に相当)におけるアルミナ・マグネシア化
合物粒子20の占める全面積を表す。)
In measuring the area occupied by the alumina / magnesia compound particles 20 on the surface of the diaphragm portion 10, first, the zirconia substrate 2 is moved to the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 (the lower electrode 1).
2. The piezoelectric / electrostrictive layer 14 and the upper electrode 16) are dissolved or decomposed by an appropriate method, and are separated and removed. For example, when the lower electrode 12 is mainly composed of a metal material, aqua regia prepared by mixing commercially available concentrated hydrochloric acid and concentrated nitric acid at a volume ratio of 3: 1 is used. While maintaining the aqua regia at a temperature of 80 ° C., a piezoelectric / electrostrictive film type element is put therein, and the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 is dissolved or decomposed and removed.
In this case, the removal operation is facilitated by boiling. Then, with respect to the zirconia base body 2 from which the piezoelectric / electrostrictive operation section 18 has been removed, the diaphragm portion 10
Of the piezoelectric / electrostrictive layer 14,
Alumina-magnesia compound particles 20 present on the surface portion of the lower electrode 12 immediately below the electrostrictive layer 14 were formed,
The area occupied by such compound particles 20 is obtained by observation with an electron microscope or the like, and the occupied area ratio is calculated according to the following equation. Occupied area ratio (%) = (A / A 0 ) × 100 (where A 0 corresponds to the area where the piezoelectric / electrostrictive layer 14 is formed, and the lower electrode 12 is formed immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer 14). A is the area of the surface of the diaphragm portion 10 which has been removed, and A is the area of the surface of the diaphragm portion 10 from which the piezoelectric / electrostrictive operating portion 18 has been removed (corresponding to the area of the lower electrode 12 immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer 14). ) Indicates the total area occupied by the alumina / magnesia compound particles 20.)

【0037】なお、このようなアルミナとマグネシアと
の化合物を主体とする粒子20の占有面積率が低い場合
には、その存在効果を充分に発揮し得ないところから、
本発明にあっては、5%以上、望ましくは10%以上、
更に望ましくは30%以上とされる。また、そのような
占有面積率の上限は、特に規定されないが、クラックや
欠陥等の問題からして、80%程度とすることが望まし
い。
When the occupied area ratio of the particles 20 mainly composed of such a compound of alumina and magnesia is low, the effect of its existence cannot be sufficiently exhibited.
In the present invention, 5% or more, preferably 10% or more,
More desirably, it is 30% or more. The upper limit of the occupied area ratio is not particularly limited, but is preferably about 80% in view of problems such as cracks and defects.

【0038】また、このようにして得られる、本発明に
従う圧電/電歪膜型素子は、そのダイヤフラム部位にお
いて剛性の低下がなく、それ故に共振周波数が低くなる
という問題もなく、しかも、圧電/電歪作動部における
圧電/電歪層の緻密度の高いものであって、これにより
圧電/電歪特性に優れた信頼性の高いものであるという
特徴があり、これによって、トランスデューサやセンサ
やアクチュエータ等の各種の用途に有利に用いられ得る
のである。尤も、この本発明に従う圧電/電歪膜型素子
は、そのダイヤフラム部位の外面側に設けられた圧電/
電歪作動部による作動によって、その変位や力が効果的
に為され得るようになっているところから、圧電/電歪
アクチュエータとして有利に用いられ得るものである。
フィルター、超音波センサや角速度センサや加速度セン
サや衝撃センサ等の各種センサ、トランス、マイクロフ
ォン、発音体(スピーカ等)、ディスクリミネータ、動
力用や通信用の振動子や発振子や共振子の他、ディスプ
レイや内野研二著(日本工業技術センター編)「圧電/
電歪アクチュエータ 基礎から応用まで」(森北出版)
に記載のサーボ変位素子、パルス駆動モータ、超音波モ
ータ、圧電ファン等に用いられるユニモルフ型、バイモ
ルフ型等の屈曲変位を発生させるタイプのアクチュエー
タ等として、本発明の素子は、特に有利に用いられ得る
ものである。また、厚膜コンデンサ素子としても、好適
に用いることが出来るのである。
The thus obtained piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention does not suffer from a decrease in rigidity at the diaphragm portion, and therefore has no problem of lowering the resonance frequency. The piezoelectric / electrostrictive layer in the electrostriction operation section has a high density, and has a feature that the piezoelectric / electrostrictive layer has excellent reliability due to excellent piezoelectric / electrostrictive characteristics. It can be advantageously used for various applications such as. However, the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention has a piezoelectric / electrostrictive element provided on the outer surface side of the diaphragm portion.
Since the displacement and the force can be effectively performed by the operation of the electrostriction operation section, the actuator can be advantageously used as a piezoelectric / electrostriction actuator.
Various sensors such as filters, ultrasonic sensors, angular velocity sensors, acceleration sensors, and shock sensors, transformers, microphones, sound generators (such as speakers), discriminators, oscillators, oscillators, and resonators for power and communication, and others , Display and Kenji Uchino (Japan Industrial Technology Center)
Electrostrictive Actuators: From Basics to Applications ”(Morikita Publishing)
The element of the present invention is particularly advantageously used as a servo displacement element, a pulse drive motor, an ultrasonic motor, a unimorph type used for a piezoelectric fan, an actuator of a type that generates a bending displacement such as a bimorph type, or the like. What you get. Also, it can be suitably used as a thick film capacitor element.

【0039】因みに、図3には、本発明に従う圧電/電
歪膜型素子の一例が概略的に示されており、また図4に
は、その分解斜視図が示されている。そして、そこに図
示される圧電/電歪膜型素子は、ジルコニア基体22と
そのダイヤフラム部位の外表面に配置された圧電/電歪
作動部24とが一体化されてなる構造とされており、そ
の圧電/電歪作動部24が、印加電圧に従い、ジルコニ
ア基体22の薄肉のダイヤフラム部位を屈曲変形せしめ
るようになっている。
FIG. 3 schematically shows an example of the piezoelectric / electrostrictive film type device according to the present invention, and FIG. 4 is an exploded perspective view thereof. The piezoelectric / electrostrictive film type device illustrated therein has a structure in which a zirconia base 22 and a piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 disposed on the outer surface of the diaphragm portion thereof are integrated. The piezoelectric / electrostrictive operating section 24 bends and deforms the thin diaphragm portion of the zirconia base 22 according to the applied voltage.

【0040】より詳細には、ジルコニア基体22は、そ
れぞれ、所定のジルコニア材料からなる薄肉の平板形状
を呈する閉塞プレート(ダイヤフラム板)26と接続プ
レート(ベースプレート)28が、同じく所定のジルコ
ニア材料からなるスペーサプレート(ベースプレート)
30を挟んで、重ね合わされてなる構造をもって、一体
的に形成されている。そして、この接続プレート28に
は、連通用開孔部32が形成されている。なお、この連
通用開孔部32の個数、形状、寸法、位置等は、圧電/
電歪膜型素子の用途に応じて適宜に選定されることとな
る。また、スペーサプレート30には、正方形状の窓部
36が複数個(ここでは3個)形成されている。そし
て、それら各窓部36に対して、前記接続プレート28
に設けられた各1つの連通用開孔部32が開孔せしめら
れるように、かかるスペーサプレート30が、接続プレ
ート28に対して重ね合わされているのである。更にま
た、このスペーサプレート30における接続プレート2
8が重ね合わされた側とは反対側の面には、閉塞プレー
ト26が重ね合わされており、この閉塞プレート26に
て窓部36の開孔が覆蓋されている。それによって、ジ
ルコニア基体22の内部には、連通用開孔部32を通じ
て、外部に連通された加圧室38が形成されているので
ある。なお、このようなジルコニア基体22は、前述せ
るように、所定のジルコニア材料を用いて、一体焼成品
として形成されている。また、ここでは、閉塞プレート
(ダイヤフラム板)とスペーサプレート(ベースプレー
ト)と接続プレート(ベースプレート)とから構成され
る3層構造品を例示したが、4層構造品或いはそれ以上
の多層構造品とすることも可能である。
More specifically, in the zirconia substrate 22, a closing plate (diaphragm plate) 26 and a connection plate (base plate) 28 each having a thin flat plate shape made of a predetermined zirconia material are also made of a predetermined zirconia material. Spacer plate (base plate)
It is integrally formed with the structure which overlapped on both sides of 30. The connection plate 28 has an opening 32 for communication. The number, shape, size, position, etc. of the communication opening 32 are determined by the piezoelectric /
It will be appropriately selected according to the use of the electrostrictive film element. In the spacer plate 30, a plurality (three in this case) of square windows 36 are formed. Then, for each of the windows 36, the connection plate 28
The spacer plate 30 is superimposed on the connection plate 28 so that each communication opening 32 provided in the connection plate 28 is opened. Furthermore, the connection plate 2 in this spacer plate 30
A closing plate 26 is overlapped on the surface on the side opposite to the side where 8 is overlapped, and the opening of the window 36 is covered with the closing plate 26. As a result, a pressurizing chamber 38 is formed inside the zirconia base 22 and communicates with the outside through the communication opening 32. As described above, such a zirconia base 22 is formed as an integrally fired product using a predetermined zirconia material. Also, here, the three-layer structure product including the closing plate (diaphragm plate), the spacer plate (base plate), and the connection plate (base plate) has been illustrated, but a four-layer structure product or a multi-layer structure product thereof or more is used. It is also possible.

【0041】また、かかるジルコニア基体22には、そ
の閉塞プレート26の外面上における、各加圧室38に
対応する部位に、それぞれ、膜状の圧電/電歪作動部2
4が設けられている。この圧電/電歪作動部24は、ジ
ルコニア基体22の窓部36部位に位置する閉塞プレー
ト26部分、即ちダイヤフラム部位の外面上に、下部電
極40、圧電/電歪層42及び上部電極44を膜形成法
によって順次形成することにより、構成されたものであ
る。従って、この圧電/電歪膜型素子にあっては、その
圧電/電歪作動部24の作動に基づいて、加圧室38内
が加圧せしめられることとなり、以てかかる加圧室38
内の流体の吐出が効果的に実現され得るのである。ま
た、本構造の圧電/電歪膜型素子は、アクチュエータと
してだけではなく、ダイヤフラム部の屈曲変位を電圧信
号として取り出し、センサとしても使用され得るもので
ある。
The zirconia base 22 has a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion 2 at a position corresponding to each pressurizing chamber 38 on the outer surface of the closing plate 26.
4 are provided. The piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 is formed by forming a lower electrode 40, a piezoelectric / electrostrictive layer 42, and an upper electrode 44 on the closing plate 26 located at the window 36 of the zirconia base 22, that is, on the outer surface of the diaphragm. It is formed by forming sequentially by a forming method. Therefore, in this piezoelectric / electrostrictive film type element, the inside of the pressurizing chamber 38 is pressurized based on the operation of the piezoelectric / electrostrictive operating section 24, and the pressurizing chamber 38
The discharge of the fluid inside can be effectively realized. Further, the piezoelectric / electrostrictive film type element having this structure can be used not only as an actuator but also as a sensor by extracting the bending displacement of the diaphragm as a voltage signal.

【0042】なお、このような構造の圧電/電歪膜型素
子は、前述のように、少なくとも、その圧電/電歪層4
2直下に位置するダイヤフラム部位(26)と下部電極
(40)との界面に、スピネルの如き、アルミナとマグ
ネシアとの化合物を主体とする粒子が析出、存在せしめ
られており、また、そのような粒子の占有面積が、5%
以上となるように構成されている。一方、上部電極(4
4)と下部電極(40)との間に挟まれた圧電/電歪層
(42)の内部に、スピネルの如き、アルミナとマグネ
シアの化合物を主体とする粒子を存在させることは、少
量なら問題ないが、圧電/電歪効果に悪影響する可能性
があり、好ましくない。
As described above, the piezoelectric / electrostrictive film type element having such a structure has at least its piezoelectric / electrostrictive layer 4.
2 Particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia, such as spinel, are precipitated and present at the interface between the diaphragm portion (26) located immediately below and the lower electrode (40). 5% particle occupation area
The configuration is as described above. On the other hand, the upper electrode (4
The presence of particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia, such as spinel, inside the piezoelectric / electrostrictive layer (42) sandwiched between 4) and the lower electrode (40) is a problem if the amount is small. However, there is a possibility of adversely affecting the piezoelectric / electrostrictive effect, which is not preferable.

【0043】 このように、本発明において対象とする
圧電/電歪膜型素子は、前述したように、アクチュエー
タやセンサやトランデューサとして、有利にはスピー
カー、ディスプレイ、サーボ変位素子、パルス駆動モー
タ、超音波モータ、加速度センサ、衝撃センサ、振動
子、発振子、共振子の構成部材に用いられ得るものであ
るが、勿論、その他の公知の各種の用途にも有利に用い
られ得ることは、言うまでもないところである。
[0043] Thus, the piezoelectric / electrostrictive membrane element of interest in the present invention, as described above, as an actuator or sensor or transformer inducer, advantageously speaker, display, servo displacement elements, pulse-driven motors , Ultrasonic motor, acceleration sensor, impact sensor, vibrator, oscillator, can be used for the constituent members of the resonator, but, of course, can be advantageously used in various other known applications, Needless to say.

【0044】[0044]

【実施例】以下に、本発明の代表的な実施例を示し、本
発明を更に具体的に明らかにすることとするが、本発明
が、そのような実施例の記載によって何等の制約をも受
けるものでないことは、言うまでもないところである。
また、本発明には、以下の実施例の他にも、更には上記
した具体的記述以外にも、本発明の趣旨を逸脱しない限
りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々なる変更、
修正、改良等を加え得るものであることが、理解される
べきである。
Hereinafter, typical examples of the present invention will be described to clarify the present invention more specifically. However, the present invention is not limited by the description of such examples. It goes without saying that it is not what you receive.
In addition, the present invention, in addition to the following examples, in addition to the specific description described above, unless departing from the spirit of the present invention, based on the knowledge of those skilled in the art, various changes,
It should be understood that modifications, improvements and the like can be made.

【0045】実施例 1 図3及び図4に示される如き圧電/電歪膜型素子を作製
すべく、0.3mm×0.5mmの大きさの矩形の窓部
36が、基板長手方向に0.2mmの間隔で、0.3m
m辺の方向に、4個配列されてなる、アルミナ含有量が
下記表1に示される如く異なる、焼成済のジルコニア基
体22を準備し、そして該ジルコニア基体22のダイヤ
フラム部位(26)の外面上に、以下の如くして、下部
電極40、圧電/電歪層42、上部電極44を順次積層
形成した。なお、ジルコニア基体22を構成する接続プ
レート28には、窓部36の中心に位置するように、
0.2mmφの連通用開口部32を設けた。
Example 1 In order to produce a piezoelectric / electrostrictive film type element as shown in FIGS. 3 and 4, a rectangular window 36 having a size of 0.3 mm × 0.5 mm was formed with a rectangular window 36 in the longitudinal direction of the substrate. 0.3m at intervals of .2mm
A fired zirconia substrate 22 having four different alumina contents as shown in Table 1 is prepared in the direction of the m side, and the alumina content is different from that shown in the following Table 1. On the outer surface of the diaphragm portion (26) of the zirconia substrate 22 Then, a lower electrode 40, a piezoelectric / electrostrictive layer 42, and an upper electrode 44 were sequentially formed as follows. The connection plate 28 constituting the zirconia base 22 is positioned at the center of the window 36 so that
A communication opening 32 having a diameter of 0.2 mm was provided.

【0046】なお、かかる素子の作製にあたっては、ジ
ルコニア基体22の基体部(ベースプレート)を構成す
る接続プレート28及びスペーサプレート30の厚さ
が、それぞれ、焼成後において150μmとなるように
し、また、ダイヤフラム部を与えるダイヤフラム板26
の厚さが、焼成後において、13μmとなるようにし
た。また、それら接続プレート28やスペーサプレート
30及びダイヤフラム板26を与える材料としては、3
モル%のイットリアで部分安定化したジルコニアを用い
た。そして、かかるダイヤフラム板26を接続プレート
28やスペーサプレート30に重ね合わせて、一体的な
ジルコニア基体22を得るために、それぞれのグリーン
シートを、下記の如くして作製し、そして積層圧着し
て、焼成を行なった。
When manufacturing such an element, the thickness of the connection plate 28 and the spacer plate 30 constituting the base portion (base plate) of the zirconia base 22 are each set to 150 μm after firing, and the diaphragm is formed. Diaphragm plate 26 for providing
Was 13 μm after firing. Further, as a material for providing the connection plate 28, the spacer plate 30, and the diaphragm plate 26, 3
Zirconia partially stabilized with mol% yttria was used. Then, in order to obtain the integrated zirconia base 22 by superimposing the diaphragm plate 26 on the connection plate 28 and the spacer plate 30, respective green sheets are produced as described below, and laminated and pressed. The firing was performed.

【0047】 a)ダイヤフラム板26用グリーンシートの作製 3モル%イットリア部分安定化ジルコニア粉末(平均粒径0.4μm) (100−x)重量部 アルミナ粉末(平均粒径0.2μm) x重量部 ポリビニルブチラール樹脂(バインダ) 9.0重量部 ジオクチルフタレート(可塑剤) 4.5重量部 ソルビタン脂肪酸エステル系分散剤 2.0重量部 トルエン/イソプロピルアルコール(50/50)混合溶剤 70重量部 上記の組成を、ジルコニア玉石を用いてポットミル混合
し、初期粘度1200cps(センチポイズ)のスラリ
ーを得た。次いで、このスラリーを真空脱泡、粘度調整
し、2000cpsとした後、リバースロールコーター
装置にて、焼成後の厚さが8μm若しくは13μmとな
るダイヤフラム部を与えるようなグリーンシートを成形
した。なお、乾燥は、50℃で10分間行なった。
A) Preparation of Green Sheet for Diaphragm Plate 26 3 mol% yttria partially stabilized zirconia powder (average particle diameter 0.4 μm) (100-x) parts by weight Alumina powder (average particle diameter 0.2 μm) x parts by weight Polyvinyl butyral resin (binder) 9.0 parts by weight Dioctyl phthalate (plasticizer) 4.5 parts by weight Sorbitan fatty acid ester-based dispersant 2.0 parts by weight 70 parts by weight toluene / isopropyl alcohol (50/50) mixed solvent 70 parts by weight Was mixed in a pot mill using zirconia balls to obtain a slurry having an initial viscosity of 1200 cps (centipoise). Next, the slurry was vacuum-degassed and the viscosity was adjusted to 2000 cps, and then a green sheet was formed by a reverse roll coater to give a diaphragm portion having a thickness of 8 μm or 13 μm after firing. The drying was performed at 50 ° C. for 10 minutes.

【0048】 b)接続プレート28、スペーサプレート30用グリーンシートの作製 3モル%イットリア部分安定化ジルコニア粉末(平均粒径0.4μm) (100−x)重量部 アルミナ粉末(平均粒径0.2μm) x重量部 ポリビニルブチラール樹脂(バインダ) 8.0重量部 ジオクチルフタレート(可塑剤) 4.0重量部 ソルビタン脂肪酸エステル系分散剤 1.0重量部 キシレン/(n−)ブチルアルコール(50/50)混合溶剤 63重量部 上記の組成を、ジルコニア玉石を用いて、ポットミル混
合し、初期粘度2000cpsのスラリーを得た。次い
で、このスラリーを真空脱泡、粘度調整し、5000c
psとした後、ドクターブレード装置にて、焼成後の厚
みが150μmとなるようにグリーンシートを成形し
た。なお、乾燥は、80℃で2時間行なった。
B) Preparation of Green Sheet for Connection Plate 28 and Spacer Plate 30 3 mol% yttria partially stabilized zirconia powder (average particle diameter 0.4 μm) (100-x) parts by weight alumina powder (average particle diameter 0.2 μm) X parts by weight Polyvinyl butyral resin (binder) 8.0 parts by weight Dioctyl phthalate (plasticizer) 4.0 parts by weight Sorbitan fatty acid ester-based dispersant 1.0 part by weight Xylene / (n-) butyl alcohol (50/50) 63 parts by weight of mixed solvent The above composition was mixed in a pot mill using zirconia cobblestone to obtain a slurry having an initial viscosity of 2000 cps. Then, the slurry was vacuum defoamed and the viscosity was adjusted.
After setting to ps, a green sheet was formed by a doctor blade device so that the thickness after firing was 150 μm. The drying was performed at 80 ° C. for 2 hours.

【0049】そして、上記の如くして得られた接続プレ
ート、スペーサプレート用グリーンシートをそれぞれ所
定の金型にてパターン打ち抜き(連通用開口部32の形
成、窓部36の形成)した後、これらに、上記で作製し
たダイヤフラム板用グリーンシートを重ね合わせ、10
0kg/cm2 の圧力下に、80℃×1分の条件にて、熱
圧着せしめた。更に、この得られた一体積層物を150
0℃の温度で2時間焼成し、ダイヤフラム部及び基体部
のアルミナ含有量が種々異なる各種のジルコニア基体2
2を得た。
The connection plate and the green sheet for the spacer plate obtained as described above are pattern-punched (formation of the communication opening 32 and formation of the window 36) by a predetermined die. And the green sheet for the diaphragm plate prepared above is superimposed on
Under a pressure of 0 kg / cm 2 , thermocompression bonding was performed at 80 ° C. × 1 minute. Further, the obtained monolithic laminate was subjected to 150
Calcined at a temperature of 0 ° C. for 2 hours, and various zirconia substrates 2 having different alumina contents in the diaphragm portion and the substrate portion.
2 was obtained.

【0050】次いで、この得られた各種のジルコニア基
体22を用いて、そのダイヤフラム部(26)の外面上
の所定位置に、焼成後の厚さが3μmとなるように、白
金ペーストをスクリーン印刷法にて印刷し、120℃で
10分間乾燥した後、1350℃で2時間焼成すること
により、下部電極40を形成した。
Next, a platinum paste is screen-printed at a predetermined position on the outer surface of the diaphragm portion (26) using the obtained various zirconia substrates 22 so that the thickness after firing becomes 3 μm. And dried at 120 ° C. for 10 minutes, and then baked at 1350 ° C. for 2 hours to form the lower electrode 40.

【0051】更に、その後、かかる下部電極40上に、
圧電/電歪層形成用ペーストを、スクリーン印刷法によ
り、焼成後の厚みが30μmとなるように印刷し、12
0℃で20分間乾燥した後、1275℃で2時間焼成す
ることにより、圧電/電歪層42を形成した。なお、圧
電/電歪材料には、38モル%のマグネシウムニオブ酸
鉛と24モル%のジルコン酸鉛と38モル%のチタン酸
鉛とからなる材料(Pbの一部がSr及びLaにて置換
されている)の粉末(平均粒子径0.9μm)を用い、
この粉末の100重量部とアクリル系バインダ3重量部
とテルピネオール(溶剤)20重量部からなる組成物を
混練して、粘度が100000cpsのペーストとする
ことにより、圧電/電歪層形成用ペーストを調製した。
また、かかる圧電/電歪層42の焼成においては、圧電
/電歪層形成用ペーストの調製に用いた圧電/電歪材料
粉末を、焼成炉内に存在せしめ、焼成雰囲気の制御を行
なった。
Further, thereafter, on the lower electrode 40,
The paste for forming a piezoelectric / electrostrictive layer is printed by screen printing so that the thickness after firing becomes 30 μm.
After drying at 0 ° C. for 20 minutes, the piezoelectric / electrostrictive layer 42 was formed by baking at 1275 ° C. for 2 hours. The piezoelectric / electrostrictive material includes a material composed of 38 mol% of lead magnesium niobate, 24 mol% of lead zirconate, and 38 mol% of lead titanate (a part of Pb is replaced by Sr and La). ) Powder (average particle size 0.9 μm),
A composition comprising 100 parts by weight of this powder, 3 parts by weight of an acrylic binder and 20 parts by weight of terpineol (solvent) is kneaded to obtain a paste having a viscosity of 100,000 cps, thereby preparing a paste for forming a piezoelectric / electrostrictive layer. did.
In firing the piezoelectric / electrostrictive layer 42, the piezoelectric / electrostrictive material powder used for preparing the piezoelectric / electrostrictive layer forming paste was present in a firing furnace, and the firing atmosphere was controlled.

【0052】そして、かかる圧電/電歪層42の焼成操
作が終了した後、該圧電/電歪層42の上に、スパッタ
リング法によりCr薄膜を形成し、更にその上にCu膜
を形成して、上部電極44を構成し、以て目的とする各
種の圧電/電歪膜型素子を得た。なお、この得られた圧
電/電歪膜型素子における各圧電/電歪作動部24の上
部電極44と下部電極40との間に、変位方向に対して
順方向となるように、40Vの電圧を10分間かけて、
それぞれ分極処理せしめた。
After the sintering operation of the piezoelectric / electrostrictive layer 42 is completed, a Cr thin film is formed on the piezoelectric / electrostrictive layer 42 by a sputtering method, and a Cu film is further formed thereon. Thus, various target piezoelectric / electrostrictive film elements were obtained. Note that a voltage of 40 V is applied between the upper electrode 44 and the lower electrode 40 of each piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 in the obtained piezoelectric / electrostrictive film type device so as to be in a forward direction with respect to the displacement direction. Over 10 minutes
Each was polarized.

【0053】かくして得られた各種の圧電/電歪膜型素
子について、その変位特性及び共振周波数を評価する一
方、その圧電/電歪作動部24を除去して、圧電/電歪
層42形成面積に相当する、ダイヤフラム部(26)の
圧電/電歪層42直下の下部電極40形成部位を電子顕
微鏡にて観察し、それらの間に析出したアルミナとマグ
ネシアの化合物を主体とする粒子の占有面積率を求め、
その結果を、下記表1に示した。また、かかる電子顕微
鏡による観察の結果、析出粒子が、スピネルから構成さ
れているものであることを認めた。
The displacement characteristics and the resonance frequency of the various piezoelectric / electrostrictive film-type devices thus obtained were evaluated, and the piezoelectric / electrostrictive operation section 24 was removed to form the piezoelectric / electrostrictive layer 42. A portion of the diaphragm (26) where the lower electrode 40 is formed immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer 42 is observed with an electron microscope, and the area occupied by particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia deposited therebetween. Find the rate,
The results are shown in Table 1 below. Further, as a result of observation by such an electron microscope, it was confirmed that the precipitated particles were composed of spinel.

【0054】なお、圧電/電歪膜型素子の変位特性の評
価は、分極処理と同様な方向に30Vの電圧を各素子の
上部電極44と下部電極40との間にそれぞれ印加し、
レーザードップラー装置により、各圧電/電歪作動部2
4の変位量を、それぞれ測定することにより、行なっ
た。また、各素子における析出粒子の占有面積率につい
ては、先に説明した王水を用い、それを80℃の温度に
保ちながら、各素子を投入して、それぞれの圧電/電歪
作動部24を溶解乃至は分解して、除去せしめた後、元
素分析機能の付与された電子顕微鏡を用いて、その圧電
/電歪作動部24の除去されたダイヤフラム部(26)
表面を観察することにより、それぞれの素子の析出粒子
による占有面積を求め、前記した式に従って、占有面積
率(%)を算出した。
The displacement characteristics of the piezoelectric / electrostrictive film type element were evaluated by applying a voltage of 30 V in the same direction as the polarization treatment between the upper electrode 44 and the lower electrode 40 of each element.
Each of the piezoelectric / electrostrictive operating parts 2 by laser Doppler device
The measurement was performed by measuring the amount of displacement of No. 4 respectively. Regarding the occupied area ratio of the precipitated particles in each element, the aqua regia described above was used, and while keeping it at a temperature of 80 ° C., each element was turned on and each piezoelectric / electrostrictive operating section 24 was activated. After being dissolved or decomposed and removed, the diaphragm part (26) from which the piezoelectric / electrostrictive operating part 24 has been removed using an electron microscope provided with an elemental analysis function.
By observing the surface, the area occupied by the precipitated particles of each element was determined, and the occupied area ratio (%) was calculated according to the above-described equation.

【0055】[0055]

【表1】 * 比較例[Table 1] * Comparative example

【0056】かかる表1の結果から明らかなように、ダ
イヤフラム部(26)を含むジルコニア基体22の全体
に1.1〜5.0重量%のアルミナを含有せしめたN
o.3〜6の圧電/電歪膜型素子にあっては、圧電/電
歪層42を形成するための圧電/電歪材料にマグネシア
を化合物形態で含んでいるところから、かかる圧電/電
歪層42の焼成時において、そのマグネシア成分が移動
し、ダイヤフラム部(26)と下部電極40との界面に
おいて、ダイヤフラム部(26)に存在するアルミナ成
分と反応して(また、その際、接続プレート28やスペ
ーサプレート30内に存在するアルミナ成分の一部も、
ダイヤフラム部26に移動して、そのような反応に関与
していることが認められている)、スピネルを生じ、そ
れが析出して、ダイヤフラム部表面において高い占有面
積率において存在するものとなるのであり、これによっ
て、優れた変位特性が実現されている。また、そのよう
なアルミナ成分がダイヤフラム部(26)の内部から表
面に移動しても、その剛性が変わらず、そのために共振
周波数の低下もないことが認められる。
As is apparent from the results shown in Table 1, the entire zirconia base 22 including the diaphragm portion (26) contains 1.1 to 5.0% by weight of alumina.
o. In the piezoelectric / electrostrictive film type devices of Nos. 3 to 6, the piezoelectric / electrostrictive material for forming the piezoelectric / electrostrictive layer 42 contains magnesia in a compound form. At the time of firing of 42, the magnesia component moves and reacts with the alumina component present in the diaphragm portion (26) at the interface between the diaphragm portion (26) and the lower electrode 40 (in this case, the connection plate 28 And some of the alumina components present in the spacer plate 30
(It has been recognized that it is involved in such a reaction) and produces spinel, which precipitates and is present at a high occupancy on the diaphragm surface. Yes, thereby realizing excellent displacement characteristics. Further, it is recognized that even if such an alumina component moves from the inside of the diaphragm portion (26) to the surface, the rigidity does not change, and therefore, the resonance frequency does not decrease.

【0057】これに対して、圧電/電歪膜型素子を構成
するジルコニア基体22の少なくともダイヤフラム部
(26)に,アルミナが十分に存在しない場合(No.
1、2)や、全く存在しない場合(No.7、8)にあ
っては、ダイヤフラム部(26)と下部電極40との界
面にスピネル粒子が十分に析出せず、また全く析出しな
いために、素子の変位特性の向上効果が十分でないこと
が認められる。
On the other hand, when alumina is not sufficiently present in at least the diaphragm portion (26) of the zirconia substrate 22 constituting the piezoelectric / electrostrictive film element (No.
1 and 2) or in the case where they do not exist at all (Nos. 7 and 8), spinel particles do not sufficiently precipitate at the interface between the diaphragm portion (26) and the lower electrode 40, and do not precipitate at all. It is recognized that the effect of improving the displacement characteristics of the element is not sufficient.

【0058】実施例 2 図3及び図4に示される圧電/電歪膜型素子を製造する
ために、先ず、0.5mm×0.7mmの大きさの矩形
の窓部36が、その0.5mm辺の方向に、0.2mm
の間隔で基板長手方向に10個配列されてなる(図4参
照)、ダイヤフラム部(26)のアルミナ含有量が種々
異なる、焼成済のジルコニア基体22を準備し、そし
て、該ジルコニア基体22のダイヤフラム部(26)上
に、以下の如くして、圧電/電歪作動部24を形成せし
めた。
Embodiment 2 In order to manufacture the piezoelectric / electrostrictive film type device shown in FIGS. 3 and 4, first, a rectangular window 36 having a size of 0.5 mm × 0.7 mm is formed in a rectangular shape. 0.2mm in the direction of 5mm side
A sintered zirconia base 22 having various alumina contents in the diaphragm portion (26), which are arranged in the longitudinal direction of the substrate at intervals of 10 (see FIG. 4), is prepared, and the diaphragm of the zirconia base 22 is prepared. The piezoelectric / electrostrictive operating part 24 was formed on the part (26) as follows.

【0059】なお、かかる素子のジルコニア基体22を
構成する各プレートを与える各々のグリーンシートを下
記の如くして作製した。
Each green sheet providing each plate constituting the zirconia substrate 22 of the device was prepared as follows.

【0060】 a)接続プレート28、スペーサプレート30用グリーンシートの作製 3モル%イットリア部分安定化ジルコニア粉末(平均粒径0.8μm) 100重量部 ポリビニルブチラール樹脂(バインダ) 10重量部 ジブチルフタレート(可塑剤) 5重量部 ソルビタン脂肪酸エステル系分散剤 2重量部 トルエン/イソプロピルアルコール(50/50)混合溶剤 73重量部 上記の組成を、ジルコニア玉石を用いてポットミル混合
し、初期粘度1000cpsのスラリーを得た。次い
で、このスラリーを真空脱泡、粘度調整し、10000
cpsとした後、ドクターブレード法にて、かかるスラ
リーから、焼成後の厚みがそれぞれ150μmとなるよ
うに、接続プレート28用グリーンシート及びスペーサ
プレート30用グリーンシートを成形した。なお、乾燥
は、80℃で3時間行なった。
A) Preparation of Green Sheet for Connection Plate 28 and Spacer Plate 30 3 mol% yttria partially stabilized zirconia powder (average particle size 0.8 μm) 100 parts by weight Polyvinyl butyral resin (binder) 10 parts by weight dibutyl phthalate (plastic 5 parts by weight Sorbitan fatty acid ester dispersant 2 parts by weight Toluene / isopropyl alcohol (50/50) mixed solvent 73 parts by weight The above composition was mixed in a pot mill using zirconia balls to obtain a slurry having an initial viscosity of 1000 cps. . Next, the slurry was degassed in a vacuum and the viscosity was adjusted.
After the cps, the green sheet for the connection plate 28 and the green sheet for the spacer plate 30 were formed from the slurry by a doctor blade method so that the thickness after firing was 150 μm. The drying was performed at 80 ° C. for 3 hours.

【0061】 b)ダイヤフラム板26用グリーンシートの作製 3モル%イットリア部分安定化ジルコニア粉末(平均粒径0.8μm) (100−x)重量部 アルミナ粉末(平均粒径0.2μm) x重量部 ポリビニルブチラール樹脂(バインダ) 9重量部 ジブチルフタレート(可塑剤) 4重量部 ソルビタン脂肪酸エステル系分散剤 2重量部 トルエン/イソプロピルアルコール(50/50)混合溶剤 70重量部 上記の組成を、ジルコニア玉石を用いてポットミル混合
し、初期粘度1000cpsのスラリーを得た。次い
で、このスラリーを真空脱泡、粘度調整し、3000c
psとした後、リバースロールコーター装置にて、かか
るスラリーから、焼成後の厚みが9μmとなるダイヤフ
ラム部(26)を与えるようなグリーンシートを成形し
た。
B) Preparation of Green Sheet for Diaphragm Plate 26 3 mol% yttria partially stabilized zirconia powder (average particle diameter 0.8 μm) (100-x) parts by weight Alumina powder (average particle diameter 0.2 μm) x parts by weight Polyvinyl butyral resin (binder) 9 parts by weight Dibutyl phthalate (plasticizer) 4 parts by weight Sorbitan fatty acid ester-based dispersant 2 parts by weight Toluene / isopropyl alcohol (50/50) mixed solvent 70 parts by weight The above composition was prepared using zirconia cobblestone. Then, the mixture was mixed in a pot mill to obtain a slurry having an initial viscosity of 1000 cps. Then, the slurry was vacuum defoamed and the viscosity was adjusted.
After setting the pressure to ps, a green sheet was formed from the slurry using a reverse roll coater to give a diaphragm (26) having a thickness of 9 μm after firing.

【0062】そして、上記の如くして得られた接続プレ
ート用グリーンシート及びスペーサプレート用グリーン
シートを、それぞれ、所定の金型にてパターン打ち抜き
(連通用開口部32及び窓部6の形成)した後、これら
に、上記で作製したダイヤフラム板用グリーンシートを
重ね合わせ、100kg/cm2 の圧力下に、80℃×1
分の条件にて、熱圧着せしめた。そして、この得られた
一体積層物を1500℃の温度で2時間焼成し、ダイヤ
フラム部(26)におけるアルミナ含有量の異なる各種
のジルコニア基体22を得た。これにより、以下の表2
に示されるNo.9〜12のジルコニア基体22は、そ
のダイヤフラム部(26)が外方に凸なる形状(凸高
さ:約20μm)のものとなった。
The connection sheet green sheet and the spacer plate green sheet obtained as described above were pattern-punched (forming the communication opening 32 and the window 6) by using a predetermined mold. Thereafter, the green sheet for the diaphragm plate prepared above was superimposed on them, and at a pressure of 100 kg / cm 2 at 80 ° C. × 1.
The thermocompression bonding was performed under the conditions of minutes. Then, the obtained integrated laminate was fired at a temperature of 1500 ° C. for 2 hours to obtain various zirconia substrates 22 having different alumina contents in the diaphragm portion (26). This results in Table 2 below.
No. shown in FIG. The zirconia substrates 22 of Nos. 9 to 12 had a shape in which the diaphragm portion (26) protruded outward (convex height: about 20 µm).

【0063】次いで、この得られた各種のジルコニア基
体22を用いて、そのダイヤフラム部(26)の外面上
の所定位置に、白金ペーストをスクリーン印刷法にて焼
成後の厚みが5μmとなるように印刷し、120℃で1
0分間乾燥した後、1350℃で2時間焼成することに
より、下部電極40を形成した。
Next, using the obtained various zirconia substrates 22, a platinum paste is screen-printed at a predetermined position on the outer surface of the diaphragm portion (26) so that the thickness after firing is 5 μm. Print, 1 at 120 ° C
After drying for 0 minutes, the lower electrode 40 was formed by firing at 1350 ° C. for 2 hours.

【0064】更にその後、かかる下部電極40上に、次
のようにして、圧電/電歪層42を形成した。なお、圧
電/電歪材料には、38モル%のマグネシウムニオブ酸
鉛と24モル%のジルコン酸鉛と38モル%のチタン酸
鉛とからなる材料(Pbの一部がSr及びLaにて置換
されている)の粉末を用い、この圧電/電歪材料粉末よ
り調製された圧電/電歪層形成用ペーストを、焼成後の
厚みが30μmとなるように、下部電極40上にスクリ
ーン印刷法により印刷し、120℃で20分間乾燥した
後、1275℃で2時間保持することにより、焼成を行
なった。また、かかる焼成操作において、焼成炉中に、
前記圧電/電歪材料粉末を存在せしめて、焼成雰囲気の
制御を行なった。
Thereafter, a piezoelectric / electrostrictive layer 42 was formed on the lower electrode 40 as follows. The piezoelectric / electrostrictive material includes a material composed of 38 mol% of lead magnesium niobate, 24 mol% of lead zirconate, and 38 mol% of lead titanate (a part of Pb is replaced by Sr and La). The piezoelectric / electrostrictive layer forming paste prepared from the piezoelectric / electrostrictive material powder is screen-printed on the lower electrode 40 so that the thickness after firing becomes 30 μm. After printing and drying at 120 ° C. for 20 minutes, baking was performed by holding at 1275 ° C. for 2 hours. In such a firing operation, in the firing furnace,
The firing atmosphere was controlled in the presence of the piezoelectric / electrostrictive material powder.

【0065】そして、かかる圧電/電歪層42の焼成操
作が終了した後、該圧電/電歪層42の上に、スパッタ
リング法によりCr薄膜を形成し、更にその上にCu膜
を形成して、上部電極44を構成し、以て目的とする各
種の圧電/電歪膜型素子を得た。なお、この得られた圧
電/電歪膜型素子における各圧電/電歪作動部24の上
部電極44と下部電極40との間に、100Vの電圧を
かけて、それぞれ分極処理を施した。
After the sintering operation of the piezoelectric / electrostrictive layer 42 is completed, a Cr thin film is formed on the piezoelectric / electrostrictive layer 42 by a sputtering method, and a Cu film is further formed thereon. Thus, various target piezoelectric / electrostrictive film elements were obtained. In addition, a voltage of 100 V was applied between the upper electrode 44 and the lower electrode 40 of each piezoelectric / electrostrictive operating portion 24 in the obtained piezoelectric / electrostrictive film type element to perform a polarization process.

【0066】かくして得られた各種の圧電/電歪膜型素
子について、その変位特性及び共振周波数、更にはダイ
ヤフラム部(26)と下部電極(40)との界面に析出
したスピネル粒子の占有面積率について、実施例1と同
様に評価し、その結果を、下記表2に示した。
The displacement characteristics and resonance frequencies of the various piezoelectric / electrostrictive film elements thus obtained, and the occupation area ratio of spinel particles deposited on the interface between the diaphragm (26) and the lower electrode (40). Was evaluated in the same manner as in Example 1, and the results are shown in Table 2 below.

【0067】[0067]

【表2】 * 比較例 かかる表2の結果から明らかな如く、本発明に従ってダ
イヤフラム部(26)に本発明にて規定される量のアル
ミナを存在せしめた、No.10〜12の素子の場合に
あっては、優れた変位特性が発揮されていることが認め
られる。
[Table 2] * Comparative Example As is apparent from the results in Table 2, the diaphragm portion (26) was made to contain alumina in the amount specified in the present invention in accordance with the present invention. In the case of 10 to 12 elements, it is recognized that excellent displacement characteristics are exhibited.

【0068】[0068]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、圧電/電歪層の焼成時に、ジルコニア基体の
少なくともダイヤフラム部に含まれるアルミナと、圧電
/電歪層を形成するための圧電/電歪材料中に含まれる
マグネシア成分とが、少なくとも、圧電/電歪層直下の
ダイヤフラム部と下部電極との界面に移動して、そこで
反応し、それら成分からなる化合物の粒子として析出す
るようになるところから、かかる圧電/電歪層の焼成中
におけるダイヤフラム部の剛性が効果的に低下し、ま
た、ダイヤフラム部が塑性変形し易くなることによっ
て、圧電/電歪層の焼結、緻密化が有利に実現され、ま
た、焼成収縮に基づくところの応力の残留も効果的に回
避され得ることとなったのである。そして、それによっ
て、信頼性と共に、変位効率の高い圧電/電歪膜型素子
が実現され得たのである。
As is apparent from the above description, according to the present invention, at the time of firing the piezoelectric / electrostrictive layer, alumina contained in at least the diaphragm portion of the zirconia substrate and the piezoelectric / electrostrictive layer are formed. The magnesia component contained in the piezoelectric / electrostrictive material moves at least to the interface between the diaphragm portion directly below the piezoelectric / electrostrictive layer and the lower electrode, reacts there, and precipitates as particles of a compound composed of those components. As a result, the rigidity of the diaphragm during the firing of the piezoelectric / electrostrictive layer is effectively reduced, and the diaphragm is easily plastically deformed. Densification can be advantageously achieved, and residual stress due to firing shrinkage can be effectively avoided. As a result, a piezoelectric / electrostrictive film element having high displacement efficiency as well as reliability can be realized.

【0069】なお、このような本発明に従う圧電/電歪
膜型素子にあっては、その圧電/電歪層の焼成にて、ダ
イヤフラム部の内部に存在するアルミナ成分が表面に移
動して、該ダイヤフラム部内部のアルミナ量が著しく低
減するようになるが、かかる焼成後において、ダイヤフ
ラム部の剛性が低下するようなことは殆どないのであっ
て、それ故に共振周波数が影響を受けるようなこともな
いのである。
In the piezoelectric / electrostrictive film type element according to the present invention, the alumina component present inside the diaphragm moves to the surface by firing the piezoelectric / electrostrictive layer, Although the amount of alumina inside the diaphragm portion is remarkably reduced, the stiffness of the diaphragm portion hardly decreases after such firing, and therefore, the resonance frequency may be affected. There is no.

【0070】また、かかる本発明に従う圧電/電歪膜型
素子にあっては、少なくとも、その圧電/電歪層直下の
ダイヤフラム部と下部電極との界面に、アルミナとマグ
ネシアとの化合物粒子が析出、存在しているところか
ら、そのような析出粒子がダイヤフラム部と下部電極の
両方に対してアンカーとしての機能を奏することとな
り、以てアンカー効果による下部電極とダイヤフラム部
との間の密着性も効果的に向上せしめられ得るのであ
る。
In the piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention, compound particles of alumina and magnesia are deposited at least at the interface between the diaphragm and the lower electrode immediately below the piezoelectric / electrostrictive layer. From the presence, such precipitated particles will function as an anchor to both the diaphragm portion and the lower electrode, so that the adhesion between the lower electrode and the diaphragm portion due to the anchor effect also increases It can be improved effectively.

【0071】[0071]

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に従う圧電/電歪膜型素子の基本的な構
造の一例を示す断面説明図である。
FIG. 1 is an explanatory sectional view showing an example of a basic structure of a piezoelectric / electrostrictive film element according to the present invention.

【図2】圧電/電歪作動部が除去されたダイヤフラム部
位の表面を電子顕微鏡にて観察した結果を示す説明図で
ある。
FIG. 2 is an explanatory view showing the result of observing the surface of a diaphragm portion from which a piezoelectric / electrostrictive operating portion has been removed with an electron microscope.

【図3】本発明の対象とする圧電/電歪膜型素子の他の
一例を示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another example of the piezoelectric / electrostrictive film type element to which the present invention is applied.

【図4】図3に示される圧電/電歪膜型素子の分解斜視
図である。
FIG. 4 is an exploded perspective view of the piezoelectric / electrostrictive film type device shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2、22 ジルコニア基体 4 ベースプレート 6、36 窓部 8 ダイヤフラム板 10 ダイヤフラム部位 12、40 下部電極 14、42 圧電/電歪層 16、44上部電極 18、24 圧電/電歪作動部 20 アルミナ・マグネシア化合物粒子 26 閉塞プレート 28 接続プレート 30 スペーサプレート 32 連通用開孔部 38 加圧室 2, 22 Zirconia base 4 Base plate 6, 36 Window 8 Diaphragm plate 10 Diaphragm part 12, 40 Lower electrode 14, 42 Piezoelectric / electrostrictive layer 16, 44 Upper electrode 18, 24 Piezoelectric / electrostrictive operating part 20 Alumina / magnesia compound Particles 26 Closure plate 28 Connection plate 30 Spacer plate 32 Communication opening 38 Pressure chamber

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 伸夫 愛知県名古屋市瑞穂区須田町2番56号 日本碍子株式会社内 (56)参考文献 特開 平7−162048(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 41/09 H01L 41/22 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (72) Inventor Nobuo Takahashi 2-56, Suda-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi, Aichi Japan Insulator Co., Ltd. (56) References JP-A-7-162048 (JP, A) (58) Surveyed fields (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 41/09 H01L 41/22

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 少なくとも一つの空所を有すると共に、
該空所を覆蓋するように、薄肉のダイヤフラム部を一体
に設けてなるジルコニア基体と、該ダイヤフラム部の外
面上に膜形成法によって層状に順次設けた下部電極、圧
電/電歪層及び上部電極より構成される膜状の圧電/電
歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子を製造するに際
して、 少なくとも前記ダイヤフラム部にアルミナを1.1〜
5.0重量%の割合で含有せしめてなる焼成済のジルコ
ニア基体を準備し、そして該ジルコニア基体のダイヤフ
ラム部の外面上に、膜形成法によって前記下部電極を形
成した後、更に、該下部電極上に、マグネシア若しくは
それを与える成分を独立して又は化合物形態において含
有する圧電/電歪材料を用いて、膜形成法にて前記圧電
/電歪層を形成し、焼成を行なうことにより、少なくと
も、かかる圧電/電歪層下の前記ダイヤフラム部と前記
下部電極との界面において、アルミナとマグネシアとの
化合物を主体とする粒子を析出せしめることを特徴とす
る圧電/電歪膜型素子の製造方法。
Claims: 1. There is at least one void,
A zirconia base body integrally provided with a thin-walled diaphragm portion so as to cover the space; a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer, and an upper electrode sequentially provided in layers by a film forming method on an outer surface of the diaphragm portion; When manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film-type element having a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion composed of:
A fired zirconia base material containing 5.0% by weight is prepared, and the lower electrode is formed on the outer surface of a diaphragm portion of the zirconia base body by a film forming method. On the above, at least by forming the piezoelectric / electrostrictive layer by a film forming method using magnesia or a piezoelectric / electrostrictive material containing the component giving it independently or in a compound form, and performing firing, A method for producing a piezoelectric / electrostrictive film type element, comprising: depositing particles mainly composed of a compound of alumina and magnesia at an interface between the diaphragm and the lower electrode under the piezoelectric / electrostrictive layer. .
【請求項2】 前記析出せしめられる粒子が、スピネル
粒子である請求項1記載の圧電/電歪膜型素子の製造方
法。
2. The method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film element according to claim 1, wherein the particles to be deposited are spinel particles.
【請求項3】 前記圧電/電歪材料が、圧電/電歪特性
を示す組成の一成分としてマグネシアを含むものである
請求項1又は請求項2記載の圧電/電歪膜型素子の製造
方法。
3. The method for manufacturing a piezoelectric / electrostrictive film type device according to claim 1, wherein the piezoelectric / electrostrictive material contains magnesia as one component of a composition exhibiting piezoelectric / electrostrictive characteristics.
【請求項4】 少なくとも一つの空所を有すると共に、
該空所を覆蓋するように、薄肉のダイヤフラム部を一体
に設けてなるジルコニア基体と、該ダイヤフラム部の外
面上に膜形成法によって層状に順次設けた下部電極、圧
電/電歪層及び上部電極より構成される膜状の圧電/電
歪作動部とを備えた圧電/電歪膜型素子にして、 少なくとも、前記圧電/電歪層下の前記ダイヤフラム部
と前記下部電極との界面に、アルミナとマグネシアとの
化合物を主体とする粒子を、5%以上の占有面積率にお
いて存在せしめたことを特徴とする圧電/電歪膜型素
子。
4. Having at least one void,
A zirconia base body integrally provided with a thin-walled diaphragm portion so as to cover the space; a lower electrode, a piezoelectric / electrostrictive layer, and an upper electrode sequentially provided in layers by a film forming method on an outer surface of the diaphragm portion; A piezoelectric / electrostrictive film-type element comprising a film-shaped piezoelectric / electrostrictive operating portion comprising: a piezoelectric / electrostrictive film type element comprising at least an alumina at an interface between the diaphragm portion below the piezoelectric / electrostrictive layer and the lower electrode; A piezoelectric / electrostrictive film type element characterized in that particles mainly composed of a compound of magnesium and magnesia are present in an occupied area ratio of 5% or more.
【請求項5】 前記アルミナとマグネシアとの化合物
が、スピネルである請求項4記載の圧電/電歪膜型素
子。
5. The piezoelectric / electrostrictive film element according to claim 4, wherein the compound of alumina and magnesia is spinel.
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